拼板機(jī)高頻信號(hào)源的研制

閆召臣　趙晨　田恒杰　李玉廷

【摘 要】拼板機(jī)高頻信號(hào)源的第一級(jí)為信號(hào)發(fā)生電路，采用晶體振蕩器作振蕩元件，配以外圍元件，產(chǎn)生的高頻信號(hào)經(jīng)信號(hào)放大電路及功率放大電路進(jìn)行放大，可供功率輸出電路作為信號(hào)源使用。經(jīng)研究小組設(shè)計(jì)制作及多次測(cè)試，不斷改進(jìn)電路結(jié)構(gòu)和參數(shù)，取得了良好的效果，并對(duì)功率輸出電路做了初步設(shè)計(jì)。

【關(guān)鍵詞】拼板機(jī)；高頻信號(hào)源；高速運(yùn)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

在工業(yè)上，高頻信號(hào)源有很多應(yīng)用，比如木材加工中用的高頻拼板機(jī)，就是采用高頻介質(zhì)加熱將木條膠合成規(guī)定尺寸的板材，它需要一個(gè)大功率高頻信號(hào)源。高頻拼板機(jī)是人造實(shí)木板生產(chǎn)線上的一個(gè)關(guān)鍵設(shè)備，是利用上、下壓板做工作電容器，利用高頻電場(chǎng)對(duì)介質(zhì)（木板）進(jìn)行極化加熱，介質(zhì)產(chǎn)生的熱量與電場(chǎng)強(qiáng)度的平方成正比，與頻率成正比。將板條涂膠鋪板后放在上、下壓板之間壓緊，接通高頻高壓信號(hào)源，木板中的膠比水分產(chǎn)生熱量大[1]，可在數(shù)十秒內(nèi)干膠，拼板完成，生產(chǎn)效率很高。此設(shè)備的關(guān)鍵部分是高頻信號(hào)源，現(xiàn)市場(chǎng)產(chǎn)品均采用自激振蕩器產(chǎn)生高頻高壓信號(hào)，需要根據(jù)木板厚度調(diào)節(jié)匹配電容器及信號(hào)反饋電感器，調(diào)到合適參數(shù)操作復(fù)雜，而且頻率變化范圍寬、頻率不穩(wěn)定，會(huì)對(duì)通訊及其他設(shè)備造成干擾。若采用外部振蕩器產(chǎn)生高頻信號(hào)，對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大后，再進(jìn)行功率放大，將高頻電壓信號(hào)加到壓板上加熱，頻率非常穩(wěn)定，加熱效果好?？梢栽O(shè)定幾個(gè)頻點(diǎn)，如6.78MHz、13.56MHz、27.12MHz……，這些頻點(diǎn)都是國(guó)際上通用的介質(zhì)加熱用的頻點(diǎn)，不會(huì)對(duì)通訊造成干擾。當(dāng)木材厚度不同時(shí)，可以用轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)調(diào)到合適的頻點(diǎn)上，操作簡(jiǎn)便。

1 項(xiàng)目研究?jī)?nèi)容和擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題

本項(xiàng)目主要做以下內(nèi)容的研究：

1.1 高頻信號(hào)發(fā)生器電路設(shè)計(jì)與制作

本部分電路是整個(gè)裝置的關(guān)鍵，產(chǎn)生的信號(hào)要穩(wěn)定、具有較好的波形，關(guān)鍵是避免寄生振蕩、頻率保持穩(wěn)定。

1.2 高頻信號(hào)放大器電路設(shè)計(jì)與制作

信號(hào)發(fā)生電路所產(chǎn)生的信號(hào)很弱，不足以推動(dòng)較大功率的放大電路，所以要選用合適器件，并具有較大的帶寬，關(guān)鍵是核心器件的外圍元件參數(shù)的確定。

1.3 功率放大級(jí)電路設(shè)計(jì)與制作

將信號(hào)進(jìn)一步放大，以使其有較大的功率、較高的電壓，從而可以推動(dòng)功率輸出級(jí)電路，此電路的設(shè)計(jì)關(guān)鍵是參數(shù)計(jì)算、工作點(diǎn)設(shè)定。

1.4 功率輸出電路設(shè)計(jì)

此電路關(guān)鍵是參數(shù)計(jì)算和電子管的選型。

2 方案論證與電路設(shè)計(jì)

2.1 研究方法

（1）該研究項(xiàng)目有3名成員，均為2012級(jí)電氣工程及其自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)的學(xué)生，各成員進(jìn)行分工合作，除平時(shí)按照分工各自研究外，每周至少一次召集研究小組成員進(jìn)行交流、討論，以便把握研究進(jìn)度；（2）根據(jù)研究?jī)?nèi)容及時(shí)搜集相關(guān)資料、擬定研究方案；（3）分析研究并設(shè)計(jì)信號(hào)源各部分電路；（4）選定信號(hào)源所用元器件、設(shè)計(jì)制作PCB板及焊接元器件；（5）反復(fù)調(diào)試并找出電路最佳參數(shù)，確定最終路電路結(jié)構(gòu)和元件參數(shù)（圖1）。

圖1 高頻信號(hào)源原理框圖

2.2 電路設(shè)計(jì)

根據(jù)擬定的設(shè)計(jì)方案，逐步設(shè)計(jì)具體的電路，并畫(huà)出工作原理圖。現(xiàn)在有不同版本的畫(huà)圖軟件在使用，從最早的protel 99、protel DXP2004到功能比較全的Altium Designer 15，可以根據(jù)具體情況選用，畫(huà)原理圖先要制作元件符號(hào)庫(kù)，當(dāng)然也可以找現(xiàn)成的庫(kù)安裝，比較省事，用上述軟件畫(huà)圖的好處是很容易轉(zhuǎn)換為PCB圖，便于加工電路板。本項(xiàng)目電路分四部分設(shè)計(jì)，可以逐個(gè)畫(huà)出單元圖，便于核對(duì)，將來(lái)做好PCB板后也便于測(cè)試。

2.3 電路工作原理

圖2為原理圖，用方框把整個(gè)圖分成四部分：P1信號(hào)發(fā)生電路、P2信號(hào)放大電路、P3功率放大電路、P4功率輸出電路。

P1信號(hào)發(fā)生電路：本級(jí)設(shè)置三個(gè)晶振，可以產(chǎn)生三個(gè)不同頻率的信號(hào)，用S1實(shí)現(xiàn)切換。根據(jù)需要也可以設(shè)置更多晶振，本電路可以適用12MHz-40MHz所有頻點(diǎn)。無(wú)源晶振被電路中的同頻諧波激發(fā)振蕩[2]，信號(hào)經(jīng)T1放大，再經(jīng)C5耦合在T2得到緩沖，目的是增強(qiáng)帶負(fù)載能力。C2、C3為反饋電容，R1、R2為偏置電阻，C1、C4、C6、C8為濾波電容，R3為射極電阻，R6為源極接入電阻，R5為前級(jí)負(fù)載電阻，RP1為輸出調(diào)節(jié)電阻，可以調(diào)節(jié)信號(hào)大小，C7為輸出隔直電容。

P2信號(hào)放大電路：本級(jí)采用高速運(yùn)放為核心器件，采用反向輸入，R7為輸入電阻，R9為反饋電阻，R8為平衡電阻，設(shè)計(jì)放大倍數(shù)為7.5，C9、C10、C11、C12為電源濾波電容，C13為輸出隔直電容。

P3功率放大電路：該級(jí)T3、T4、T5選用耐高壓、高頻大功率三極管，截止頻率100MHz以上，RP2、R10、RP3為偏置電阻，其中RP3為雙聯(lián)可調(diào)電阻，C15為交流旁路電容，C14、C16為輸出隔直電容，R11、R12為射極接入電阻，L2為空心線圈，D1、D2可防止交越失真。

P4功率輸出電路：本級(jí)以大功率電子管為核心元件，L3、L4為阻流圈，C17為隔直電容，L5為負(fù)載匹配電感，C18為旁路電容，C19為工作電容器、CP1為負(fù)載匹配調(diào)節(jié)電容。

圖2中，TP1-TP5為信號(hào)測(cè)試點(diǎn)。

圖2 高頻信號(hào)源原理圖

說(shuō)明：原先畫(huà)的為單元圖，不便在這里表達(dá)，本圖使用VISIO重畫(huà)的.

3 元器件選取

表1 元器件表

元件選取是否恰當(dāng)，決定制作的成敗。本設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是第一級(jí)電路，能否產(chǎn)生理想的信號(hào)非常重要，第一級(jí)電路采用分立元件設(shè)計(jì)制作，主要是晶振和三極管的選取，晶振選用優(yōu)質(zhì)無(wú)源的，頻率穩(wěn)定度可達(dá)到±0.1ppm[3]，三極管要選用截止頻率高、耐壓高、電流放大系數(shù)高的。第二級(jí)電路是將第一級(jí)的輸出信號(hào)進(jìn)行放大，由于第一級(jí)輸出信號(hào)很弱，只有幾十至上百毫伏，第二級(jí)要求輸入電流極小，所以采用高速運(yùn)放配以外圍元件設(shè)計(jì)制作，關(guān)鍵是運(yùn)放的選用，需要高帶寬、低噪聲，本級(jí)電路選用AD8045ADRZ，其增益帶寬積可達(dá)1GHz，具有輸入信號(hào)小、輸出噪聲低的優(yōu)點(diǎn)。

第三級(jí)電路采用分立元件，需選用高頻大功率三極管。最后一級(jí)根據(jù)實(shí)際需要選擇合適的大功率電子管，由于最后一級(jí)需要加數(shù)千伏高壓，功率數(shù)千瓦至數(shù)十千瓦，需要配升壓變壓器，最后一級(jí)造價(jià)達(dá)數(shù)萬(wàn)元，出于經(jīng)費(fèi)限制和安全考慮，所以只做了電路設(shè)計(jì)。

4 裝置制作與調(diào)試

在畫(huà)好工作原理圖基礎(chǔ)上，當(dāng)所有元件選購(gòu)齊全后，就可以根據(jù)元件尺寸及插腳布局制作PCB封裝庫(kù)，并將原理圖轉(zhuǎn)化為PCB圖，因本設(shè)計(jì)只需制作雙層板，所以畫(huà)PCB圖需要的時(shí)間不是很多，對(duì)PCB板制作，可以在校內(nèi)制作，也可以外出加工（圖3）。

圖3 PCB板和已焊接元件的測(cè)試板

待PCB加工完成后，焊接好元件，然后進(jìn)行測(cè)試。對(duì)于本設(shè)計(jì)制作主要關(guān)心信號(hào)波形的好壞、頻率穩(wěn)定性、信號(hào)強(qiáng)弱，所以采用示波器觀察。每一級(jí)電路都要經(jīng)過(guò)多次調(diào)試，主要器件確定后，主要是外圍電路所用元件參數(shù)之間的配合問(wèn)題，雖然電路元件參數(shù)已經(jīng)計(jì)算，但實(shí)際和計(jì)算總有出入，要不斷調(diào)整元件參數(shù)，經(jīng)反復(fù)多次才可以達(dá)到目的，電路也要不斷改進(jìn)，在本研究中多次制作了印刷電路板（圖4）。

圖4 經(jīng)過(guò)信號(hào)放大電路后的波形

5 總結(jié)

經(jīng)過(guò)一年多的時(shí)間，反復(fù)對(duì)所做電路板進(jìn)行測(cè)試，電路經(jīng)多次修改，元件參數(shù)不斷調(diào)整，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，并制作出一部樣機(jī)，所有電路板置于機(jī)箱內(nèi)，并在機(jī)箱面板設(shè)置儀表指示、相關(guān)調(diào)節(jié)按鈕，便于操作使用，得到了很好的實(shí)際鍛煉，研究能力得到了很大提升。

【參考文獻(xiàn)】

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[責(zé)任編輯：王楠]