拼板机高频信号源的研制

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【摘 要】拼板机高频信号源的第一级为信号发生电路，采用晶体振荡器作振荡元件，配以外围元件，产生的高频信号经信号放大电路及功率放大电路进行放大，可供功率输出电路作为信号源使用。经研究小组设计制作及多次测试，不断改进电路结构和参数，取得了良好的效果，并对功率输出电路做了初步设计。

【关键词】拼板机；高频信号源；高速运放；功率放大

【Abstract】The first stage of the high frequency signal source of the butt joint machine is the signal generating circuit， and the crystal oscillator is used with the peripheral components， and the high frequency signal is amplified by the signal amplifying circuit and the power amplifier circuit. Through the research group design and manufacture and many tests， the circuit structure and parameters of continuous improvement， achieved good results， and the power output circuit to do a preliminary design.

【Key words】Butt joint machine； High frequency signal source； High speed operational amplifier； Power amplifier

0 引言

在工业上，高频信号源有很多应用，比如木材加工中用的高频拼板机，就是采用高频介质加热将木条胶合成规定尺寸的板材，它需要一个大功率高频信号源。高频拼板机是人造实木板生产线上的一个关键设备，是利用上、下压板做工作电容器，利用高频电场对介质（木板）进行极化加热，介质产生的热量与电场强度的平方成正比，与频率成正比。将板条涂胶铺板后放在上、下压板之间压紧，接通高频高压信号源，木板中的胶比水分产生热量大[1]，可在数十秒内干胶，拼板完成，生产效率很高。此设备的关键部分是高频信号源，现市场产品均采用自激振荡器产生高频高压信号，需要根据木板厚度调节匹配电容器及信号反馈电感器，调到合适参数操作复杂，而且频率变化范围宽、频率不稳定，会对通讯及其他设备造成干扰。若采用外部振荡器产生高频信号，对信号进行放大后，再进行功率放大，将高频电压信号加到压板上加热，频率非常稳定，加热效果好。可以设定几个频点，如6.78MHz、13.56MHz、27.12MHz……，这些频点都是国际上通用的介质加热用的频点，不会对通讯造成干扰。当木材厚度不同时，可以用转换开关调到合适的频点上，操作简便。

1 项目研究内容和拟解决的关键问题

本项目主要做以下内容的研究：

1.1 高频信号发生器电路设计与制作

本部分电路是整个装置的关键，产生的信号要稳定、具有较好的波形，关键是避免寄生振荡、频率保持稳定。

1.2 高频信号放大器电路设计与制作

信号发生电路所产生的信号很弱，不足以推动较大功率的放大电路，所以要选用合适器件，并具有较大的带宽，关键是核心器件的外围元件参数的确定。

1.3 功率放大级电路设计与制作

将信号进一步放大，以使其有较大的功率、较高的电压，从而可以推动功率输出级电路，此电路的设计关键是参数计算、工作点设定。

1.4 功率输出电路设计

此电路关键是参数计算和电子管的选型。

2 方案论证与电路设计

2.1 研究方法

（1）该研究项目有3名成员，均为2012级电气工程及其自动化专业的学生，各成员进行分工合作，除平时按照分工各自研究外，每周至少一次召集研究小组成员进行交流、讨论，以便把握研究进度；（2）根据研究内容及时搜集相关资料、拟定研究方案；（3）分析研究并设计信号源各部分电路；（4）选定信号源所用元器件、设计制作PCB板及焊接元器件；（5）反复调试并找出电路最佳参数，确定最终路电路结构和元件参数（图1）。

图1 高频信号源原理框图

2.2 电路设计

根据拟定的设计方案，逐步设计具体的电路，并画出工作原理图。现在有不同版本的画图软件在使用，从最早的protel 99、protel DXP2004到功能比较全的Altium Designer 15，可以根据具体情况选用，画原理图先要制作元件符号库，当然也可以找现成的库安装，比较省事，用上述软件画图的好处是很容易转换为PCB图，便于加工电路板。本项目电路分四部分设计，可以逐个画出单元图，便于核对，将来做好PCB板后也便于测试。

2.3 电路工作原理

图2为原理图，用方框把整个图分成四部分：P1信号发生电路、P2信号放大电路、P3功率放大电路、P4功率输出电路。

P1信号发生电路：本级设置三个晶振，可以产生三个不同频率的信号，用S1实现切换。根据需要也可以设置更多晶振，本电路可以适用12MHz-40MHz所有频点。无源晶振被电路中的同频谐波激发振荡[2]，信号经T1放大，再经C5耦合在T2得到缓冲，目的是增强带负载能力。C2、C3为反馈电容，R1、R2为偏置电阻，C1、C4、C6、C8为滤波电容，R3为射极电阻，R6为源极接入电阻，R5为前级负载电阻，RP1为输出调节电阻，可以调节信号大小，C7为输出隔直电容。

P2信号放大电路：本级采用高速运放为核心器件，采用反向输入，R7为输入电阻，R9为反馈电阻，R8为平衡电阻，设计放大倍数为7.5，C9、C10、C11、C12为电源滤波电容，C13为输出隔直电容。

P3功率放大电路：该级T3、T4、T5选用耐高压、高频大功率三极管，截止频率100MHz以上，RP2、R10、RP3为偏置电阻，其中RP3为双联可调电阻，C15为交流旁路电容，C14、C16为输出隔直电容，R11、R12为射极接入电阻，L2为空心线圈，D1、D2可防止交越失真。

P4功率输出电路：本级以大功率电子管为核心元件，L3、L4为阻流圈，C17为隔直电容，L5为负载匹配电感，C18为旁路电容，C19为工作电容器、CP1为负载匹配调节电容。

图2中，TP1-TP5为信号测试点。

图2 高频信号源原理图

说明：原先画的为单元图，不便在这里表达，本图使用VISIO重画的.

3 元器件选取

表1 元器件表

元件选取是否恰当，决定制作的成败。本设计的关键是第一级电路，能否产生理想的信号非常重要，第一级电路采用分立元件设计制作，主要是晶振和三极管的选取，晶振选用优质无源的，频率稳定度可达到±0.1ppm[3]，三极管要选用截止频率高、耐压高、电流放大系数高的。第二级电路是将第一级的输出信号进行放大，由于第一级输出信号很弱，只有几十至上百毫伏，第二级要求输入电流极小，所以采用高速运放配以外围元件设计制作，关键是运放的选用，需要高带宽、低噪声，本级电路选用AD8045ADRZ，其增益带宽积可达1GHz，具有输入信号小、输出噪声低的优点。

第三级电路采用分立元件，需选用高频大功率三极管。最后一级根据实际需要选择合适的大功率电子管，由于最后一级需要加数千伏高压，功率数千瓦至数十千瓦，需要配升压变压器，最后一级造价达数万元，出于经费限制和安全考虑，所以只做了电路设计。

4 装置制作与调试

在画好工作原理图基础上，当所有元件选购齐全后，就可以根据元件尺寸及插脚布局制作PCB封装库，并将原理图转化为PCB图，因本设计只需制作双层板，所以画PCB图需要的时间不是很多，对PCB板制作，可以在校内制作，也可以外出加工（图3）。

图3 PCB板和已焊接元件的测试板

待PCB加工完成后，焊接好元件，然后进行测试。对于本设计制作主要关心信号波形的好坏、频率稳定性、信号强弱，所以采用示波器观察。每一级电路都要经过多次调试，主要器件确定后，主要是外围电路所用元件参数之间的配合问题，虽然电路元件参数已经计算，但实际和计算总有出入，要不断调整元件参数，经反复多次才可以达到目的，电路也要不断改进，在本研究中多次制作了印刷电路板（图4）。

图4 经过信号放大电路后的波形

5 总结

经过一年多的时间，反复对所做电路板进行测试，电路经多次修改，元件参数不断调整，达到了设计要求，并制作出一部样机，所有电路板置于机箱内，并在机箱面板设置仪表指示、相关调节按钮，便于操作使用，得到了很好的实际锻炼，研究能力得到了很大提升。

【参考文献】

[1]刘雅清.浅谈高频介质加热机的原理与维修[J].林业科技情报，2011，45（3）：64-65.

[2]康华光，陈大钦.电子技术基础（模拟部分，第四版）[M].北京：高等教育出版社，2003，8.

[3]管世波，李东王，艳林.高频石英晶体测试系统信号源设计[J].电子测量与仪器学报，2007，21（6）：104-108.

[责任编辑：王楠]

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