課程設(shè)計語音濾波器的設(shè)計論文

1、編號：課程設(shè)計（論文）說明書課 題： 語音濾波器的設(shè)計 學(xué) 院：專 業(yè)：學(xué)生：學(xué) 號：指導(dǎo)教師： 摘 要音頻濾波器的設(shè)計是以放大器作為系統(tǒng)核心控制部分，利用RC電路，通過軟件技術(shù)的設(shè)計和硬件的制作，然后進行硬件的調(diào)試與運行，最終達到濾除無用的頻譜成分的目的。對于本次制作的音頻帶通濾波器，采用有源低通與高通濾波器級聯(lián)。允許一定頻段的信號通過，抑制低于或高于該頻段噪聲。其優(yōu)點為：1、增益可以大于一；2、負(fù)載效應(yīng)小，既其輸出響應(yīng)基本與他的負(fù)載無關(guān)。其缺點為：1、元件的帶寬有限，限制了他的應(yīng)用只能在音頻圍；2、需要電源；3、處理信號的幅度有限，超過限度會失真；4、產(chǎn)生較大的電噪聲。關(guān)鍵字：放大器；帶通

2、濾波器，RC電路目 錄1 引言 5 11 濾波器簡介 51.2 巴特沃斯響應(yīng) 51.3 低通濾波器 5 1.4 高通濾波器 5 1.5 帶通濾波器 52 設(shè)計要求 6 3 方案的選擇與電路的設(shè)計 6 3.1 帶通濾波器的組成 63.2 設(shè)計方案的選擇 7 4 電路原理與參數(shù)計算 74.1巴特沃斯低通、高通電路階數(shù)n與增益G之關(guān)系 7 4.2 低通濾波器的設(shè)計 84.3 高通濾波器的設(shè)計 94.4 放大器的設(shè)計1045 組合電路原理圖105 器件的選擇116 電路的仿真 126.1仿真電路圖126.2 仿真中出現(xiàn)的問題13 6.3 仿真結(jié)果 137 電路的調(diào)試 147.1 電路的組裝147.2

3、主要儀器和儀表1473 調(diào)試電路的方法和技巧157.4 測試數(shù)據(jù)和波形. 157.5 調(diào)試中出現(xiàn)的故障原因和排除方法 178 設(shè)計總結(jié) 17參考文獻18附錄18附錄1 元件清單vv18附錄2 電路原理圖 19附錄3 PCB圖 19附錄四 實際調(diào)試波形. 191 引言11 濾波器簡介濾波器是一種對信號有處理作用的器件或電路。是一種用來消除干擾雜訊的器件，將輸入或輸出經(jīng)過過濾而得到純凈的直流電。對特定頻率的頻點或該頻點以外的頻率進行有效濾除的電路。1.2 巴特沃斯響應(yīng)巴特沃斯響應(yīng)能夠最大化濾波器的通帶平坦度。該響應(yīng)非常平坦，非常接近DC信號，然后慢慢衰減至截止頻率點為-3dB，最終逼近-20ndB

4、/decade的衰減率，其中n為濾波器的階數(shù)。巴特沃斯濾波器特別適用于低頻應(yīng)用，其對于維護增益的平坦性來說非常重要。1.3 低通濾波器： 低通濾波器容許低頻信號通過, 但減弱(或減少)頻率高于截止頻率的信號的通過。對于不同濾波器而言,每個頻率的信號的減弱程度不同。當(dāng)使用在音頻應(yīng)用時,它有時被稱為高頻剪切濾波器, 或高音消除濾波器。低通濾波器概念有許多不同的形式，其中包括電子線路（如音頻設(shè)備中使用的hiss 濾波器、平滑數(shù)據(jù)的數(shù)字算法、音障（acoustic barriers）、圖像模糊處理等等。低通濾波器在信號處理中的作用等同于其它領(lǐng)域如金融領(lǐng)域中移動平均數(shù)（moving average)所起

5、的作用；這兩個工具都通過剔除短期波動、保留長期發(fā)展趨勢提供了信號的平滑形式。1.4 高通濾波器： 高通濾波器是指車載功放中能夠讓中、高頻信號通過而不讓低頻信號通過的電路，其作用是濾去音頻信號中的低音成分，增強中音和高音成分以驅(qū)動揚聲器的中音和高音單元。此外高通濾波器常常和低通濾波器成對出現(xiàn)，不論哪一種，都是為了把一定的聲音頻率送到應(yīng)該去的單元。1.5 帶通濾波器一個理想的濾波器應(yīng)該有一個完全平坦的通帶，例如在通帶沒有增益或者衰減，并且在通帶之外所有頻率都被完全衰減掉，另外，通帶外的轉(zhuǎn)換在極小的頻率圍完成。實際上，并不存在理想的帶通濾波器。濾波器并不能夠?qū)⑵谕l率圍外的所有頻率完全衰減掉，尤其是

6、在所要的通帶外還有一個被衰減但是沒有被隔離的圍。這通常稱為濾波器的滾降現(xiàn)象，并且使用每十倍頻的衰減幅度dB來表示。通常，濾波器的設(shè)計盡量保證滾降圍越窄越好，這樣濾波器的性能就與設(shè)計更加接近。然而，隨著滾降圍越來越小，通帶就變得不再平坦開始出現(xiàn)“波紋”。這種現(xiàn)象在通帶的邊緣處尤其明顯。2 設(shè)計要求設(shè)計一個音頻濾波器要求：1）截止頻率fl=300Hz，fh=3KHz；2）增益Av10；3）阻帶衰減速率大于等于40dB/10倍頻程；4）調(diào)整并記錄濾波器的性能參數(shù)與幅頻特性。3 方案設(shè)計3.1 帶通濾波器的組成由圖一（a）所示帶通濾波電路的幅頻響應(yīng)與高通、低通濾波電路的比較可知帶通應(yīng)由低通與高通級聯(lián)而

7、成。圖3.1.1：理想的幅頻響應(yīng)3.2設(shè)計方案的選擇 對于每一個放大器當(dāng)增益大于3時會產(chǎn)生諧振現(xiàn)象，所以每個放大器的增益應(yīng)小于三。所以要使得增益大于十需要至少三個放大器，所以選擇一個高通電路與一個低通電路級一個飯放大電路級聯(lián)的方式達到要求。其系統(tǒng)框圖如圖二所示：圖3.2.1 系統(tǒng)框圖低通高通放大器4 電路原理與參數(shù)設(shè)計4.1巴特沃斯低通、高通電路階數(shù)n與增益G之關(guān)系巴特沃斯低通、高通電路階數(shù)n與增益G之關(guān)系表格階數(shù)n2468增益G一級2.2391.521.0681.038二級2.2351.5861.337三級2.4831.889四級2.610表格 4.1.14.2 低通濾波電路的設(shè)計二階巴特沃

8、斯低通濾波器電路：有兩個RC濾波電路和同向比例放大電路組成，其特點是輸入阻抗高，輸出阻抗低。參數(shù)的設(shè)置1)、選擇電容的容量，計算電阻的阻值電阻一般應(yīng)在一百千歐姆以，電容應(yīng)在微法數(shù)量級一下。故選擇C1=C2=47nF則根據(jù) =2/T=2f H =1/(R1*R2*C1*C2 ) f H= 3000HZ得R1*R2=1/(c1*C2)=1/2f(C1*C2)可計算出：R1=0.8K R2=3K由表格1可知，二階電路的增益為2.239設(shè)反饋電阻R3=10K，由Av=1+R3/R4得：R4=R3/（Av-1）=4.5K2)、低通濾波電路原理圖設(shè)計由計算的參數(shù)可得二階低通濾波電路原理圖如下：4.3 高通

9、濾波電路的設(shè)計參數(shù)的設(shè)置1)、選擇電容的容量，計算電阻的阻值電阻一般應(yīng)在一百千歐姆以，電容應(yīng)在微法數(shù)量級一下。故選擇C3=C4=47nF則根據(jù) =2/T=2f L=1/(R5*R6*C3*C24) f L= 3000HZ得R5*R6=1/(c1*C2)=1/2f(C1*C2)可計算出：R5=4.5K R6=8.7K由表格1可知，二階電路的增益為2.239設(shè)反饋電阻R7=10K，由Av=1+R3/R4得：R8=R3/（Av-1）=4.5K2)、高通通濾波電路原理圖設(shè)計由計算的參數(shù)可得二階低通濾波電路原理圖如下：4.4放大器的設(shè)計由4.1節(jié)、4.2節(jié)可知Avf=2.239*2.239=5.07所以

10、放大器的增益Av=A/Avf=10/5.07=2設(shè)反饋電阻R9=10K可求得R10=10K由所求參數(shù)得放大電路的原理圖如下：4.5組合電路原理圖圖由圖2.1.1的框圖可得組合電路圖如下：圖4.5.1 組合電路原理圖第五章 器件的選擇電阻、電容按照計算結(jié)果進行選擇。其中為了方便調(diào)試在制作過程中將R3、R7、R11、R15改為50 K的電位器。為了減少運放對濾波電路的負(fù)載效益，降低功耗與成本，故選用通用型低功耗集成四運放LM324。    LM324含4個獨立的高增益、頻率補償?shù)倪\算放大器，既可接單電源使用 (330 V)，也可接雙電源使用(±1.5

11、7;15 V)，驅(qū)動功耗低，可與TTL邏輯電路相容。 其引腳與功能圖如圖：第六章 電路的仿真將已經(jīng)設(shè)計好的電路用multisim軟件仿真。6.1 仿真電路圖6.2 仿真中出現(xiàn)的問題按照理論數(shù)據(jù)對電路進行仿真，（1）、發(fā)現(xiàn)增益大約為8。所以調(diào)節(jié)了電阻R3與R7使R3=R7=5K，是的增益調(diào)節(jié)大約為10（2）衰減能大于40dB，所以調(diào)節(jié)了電阻C1與R6使其分別為50nF與7K使衰減接近40Db6.3仿真結(jié)果經(jīng)仿真后：1）、示波器波形如下圖6.3.1 仿真波形圖圖中A通道為輸入電壓波形，B通道為輸出電壓波形。有圖可知輸出電壓與輸入電壓之比大約為10既增益為10符合要求。2）、波特圖：圖6.3.2 仿

12、真波特圖一圖6.3.2 仿真波特圖一由波特圖可知300和HZ基本保持對稱，設(shè)計基本合理。第七章 組裝與調(diào)試7.1組裝1）根據(jù)原理圖準(zhǔn)備好必須的元件2）根據(jù)原理圖設(shè)計PCB板，更改不限規(guī)則，使線寬為1mm. 焊盤直徑為2.1mm，在底層布線3）對元件進行合理布局并合理布線4）檢查布線規(guī)則并輸出打印PCB板5）根據(jù)原理焊接元器件7.2主要儀器和儀表：數(shù)字萬用表、信號發(fā)生器、示波器、12V直流電源7.3調(diào)試電路的方法和技巧1）將電源的正負(fù)極、數(shù)字信號發(fā)生器接入端、波形輸出端以與接地在電路板上標(biāo)明清楚，按照電路圖將儀器與電路板正確連接。2）首先對增益進行調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)過程中主要調(diào)節(jié)反饋電阻R3、R7、與R

13、9。當(dāng)增益過大時使其減小，增益過大時使其增大。3）其次調(diào)節(jié)截止頻率。根據(jù)公式2f=1/RC得：調(diào)節(jié)方法如表2表7.3.1低通截止頻率過大R1增大R2增大C1增大C2增大低通截止頻率過小R1減小R2減小C1減小C2減小高通截止頻率過大R5增大R6增大C3增大C4增大高通截止頻率過小R5減小R6減小C3減小C47.4 測試的數(shù)據(jù)和波形；測試的數(shù)據(jù)：如表7.4.1 表7.4.1頻率（HZ）幅度（V）頻率（HZ）幅度（V）1000.40 110010.30 1200.60 115010.20 1500.80 120010.00 1801.00 130010.00 2001.39 14009.84 22

14、01.76 14509.76 2502.34 15009.68 2702.88 16009.60 3003.54 17009.44 3204.20 18009.28 3505.10 19009.20 3705.88 20009.00 4007.08 21008.80 4107.44 22008.64 4207.88 23008.48 4509.04 24008.16 4709.76 25007.92 50010.03 26007.60 55011.60 27007.36 60012.00 28007.04 65012.00 29006.80 70011.90 30006.48 75011.70

15、 32005.92 85011.30 34005.36 90011.00 36004.88 95010.80 40004.08 100010.60 42003.76 105010.50 由數(shù)據(jù)與表格可知低通與高通截止頻率分別為400HZ與2800HZ增益為12基本達到要求。而截止頻率大約為800Hz與理論值相差較大。衰減系數(shù)的計算:。高通部分代入數(shù)據(jù)F1=100HZ，F(xiàn)2=500HZ：A1=0.4 、A2=10.3可求得：K1=40.1dB低通部分代入F1=1700HZ F2=3000HZ A1=12 A2=6.8可求得：K2=20由計算數(shù)據(jù)可知高通部分增益達到要求，低通部分增益較低。7.5

16、調(diào)試中出現(xiàn)的故障原因與排除方法。1）第一次做的是四階電路，調(diào)試時發(fā)現(xiàn)增益過大以至于波形嚴(yán)重失真，因為BCB板中電位器的封裝不正確，所以將板子進行重新制作，為了調(diào)節(jié)簡單將電路圖進行了修改電路圖如下2）第二次進行調(diào)試根據(jù)理論值連接電路后發(fā)現(xiàn)增益過大導(dǎo)致電路失真，波形為矩形波，調(diào)節(jié)電阻R5與R8之后波形變?yōu)榍逦卣也ā５窃鲆娌荒苓_到十，經(jīng)多次改變后增益達到十，而中心頻率變?yōu)榱?00不能滿足要求，最后經(jīng)過多次調(diào)試發(fā)現(xiàn)二階電路的增益與截止頻率總是不能同時達到要求，于是選擇了再嫁一個放大器，完成了第三塊板子。3）最后一次調(diào)試時改變了原理圖中的多個電阻與電容，最終使得截止頻率與增益達到了要求而中心頻率略有偏差，在給老師檢查時發(fā)現(xiàn)地同步分的截止頻率過小，后經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)有一個電阻短路，改正后得到了正確的截止頻率第八章 設(shè)計總結(jié)：電路總結(jié)：本次試驗經(jīng)過兩次方案的改良，我人為對于最后所肯定的電路的優(yōu)點是調(diào)節(jié)方便，低通部分、高通部分、與放大器的結(jié)合使得整個電路可以分別調(diào)試高通截止頻率、低通截止頻率與增益放大。既避免了高階電路的復(fù)雜。又避免了低階電路的一次調(diào)節(jié)會改變多個指標(biāo)的問題。而其缺點在于波形不能夠?qū)ΨQ，導(dǎo)致了高通與低通衰減的不同、因而難以達到預(yù)期的中心頻率?？偨Y(jié)設(shè)計電路的特點和方案的優(yōu)缺點，指出課題核心價值，提出改進意見參考文獻。1黃志瑋 全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽教程