語音濾波器課程設(shè)計

1、 湖南工學(xué)院 課程設(shè)計說明書 課題名稱：語音濾波器 專業(yè)名稱：電子信息工程 學(xué)生班級：電子0903班 學(xué)生姓名： 學(xué)生學(xué)號： 指導(dǎo)教師：雷美艷 設(shè)計時間： 課程設(shè)計任務(wù)書（一）設(shè)計目的1、學(xué)習(xí)有源濾波電路的設(shè)計方法；2、掌握二階RC有源濾波器性能參數(shù)的測試技術(shù)。（二）設(shè)計要求和技術(shù)指標(biāo)1、技術(shù)指標(biāo)：截止頻率，阻帶衰減速率為2、設(shè)計要求（1） 設(shè)計一個能滿足要求的二階有源濾波電路；（2） 要求繪出原理圖，并用Protel畫出印制板圖；（3） 根據(jù)設(shè)計要求和技術(shù)指標(biāo)設(shè)計好電路，選好元件及參數(shù)；（4） 在萬能板或面包板或PCB板上安裝好電路并調(diào)試；（5） 測量濾波器的性能參數(shù)：截止頻率、帶內(nèi)增益和阻

2、帶衰減速率；（6） 用EWB對電路仿真，并打印出幅頻特性和相頻特性曲線；（7） 擬定測試方案和設(shè)計步驟；（8） 寫出設(shè)計性報告。3、設(shè)計擴(kuò)展要求 （1）能對信號進(jìn)行頻譜分析和失真分析； （2）能對失真度進(jìn)行測量。（三）設(shè)計提示1、電路可采用一級二階低通與一級二階高通濾波電路級聯(lián)；2、電路根據(jù)二階濾波器（巴特沃斯響應(yīng)）設(shè)計表設(shè)計，采用壓控電壓源電路；3、在測試過程中，若某項指標(biāo)偏差較大，則應(yīng)根據(jù)設(shè)計表調(diào)整修改相應(yīng)元件的值。4、設(shè)計用儀器設(shè)備（1）數(shù)字電壓表（2）面包板或萬能板（3）智能電工實(shí)驗臺5、參考書：電子線路設(shè)計·實(shí)驗·測試華中科技大學(xué)出版社6、設(shè)計用主要器件741兩塊

3、、電阻電容若干（四）設(shè)計報告要求1、選定設(shè)計方案；2、擬出設(shè)計步驟，畫出電路，分析并計算主要元件參數(shù)值；3、列出測試數(shù)據(jù)表格。（五）設(shè)計總結(jié)1、總結(jié)有源濾波器的設(shè)計方法和運(yùn)用到的主要知識點(diǎn)； 2、總結(jié)有源濾波器性能參數(shù)的測試方法。目 錄第一章 概 述51.1濾波器的功能和類型 51.2模擬濾波器的傳遞函數(shù)與頻率特性 51.3濾波器的主要特性指標(biāo) 6第二章 實(shí)驗?zāi)康?7第三章 方案設(shè)計與論證83.1第一步確定設(shè)計思路83.2第二步確定設(shè)計方案83.3論證 10第四章 單元電路設(shè)計與參數(shù)計算114.1元器件參數(shù)選取114.2電路圖設(shè)計11第五章 總原理圖及元器件清單 135.1總原理圖 135.2

4、元器件清單 13第六章 參數(shù)公式 14第七章 仿真測試與性能分析14第八章 結(jié) 論15第九章 心得體會15第十章 參考文獻(xiàn) 16附錄 17第一章 概 述1.1濾波器的功能和類型濾波器其實(shí)就是選頻電路，可允許部分頻率的信號順利通過，而另一部分頻率的信號受到較大抑制。信號能通過的頻率范圍稱通頻帶/通帶；受到很大衰減或完全被抑制的頻率范圍稱阻帶；通帶和阻帶間的分界頻率稱截止頻率。理論上，在通帶內(nèi)電壓增益為常數(shù)，阻帶內(nèi)的電壓增益為零；實(shí)際上，通帶和阻帶間存在一定頻率范圍的過渡帶。 從功能上分，濾波器分為低通、帶通、高通、帶阻等。功能：濾波器是具有頻率選擇作用的電路或運(yùn)算處理系統(tǒng)，具有濾除噪聲和分離各種

5、不同信號的功能。類型：按處理信號形式分：模擬濾波器和數(shù)字濾波器按功能分：低通、高通、帶通、帶阻按電路組成分：LC無源、RC無源、由特殊元件構(gòu)成的無源濾波器、RC有源濾波器按傳遞函數(shù)的微分方程階數(shù)分：一階、二階、高階1.2模擬濾波器的傳遞函數(shù)與頻率特性模擬濾波器的傳遞函數(shù)模擬濾波電路的特性可由傳遞函數(shù)來描述。傳遞函數(shù)是輸出與輸入信號電壓或電流拉氏變換之比。經(jīng)分析，任意個互相隔離的線性網(wǎng)絡(luò)級聯(lián)后，總的傳遞函數(shù)等于各網(wǎng)絡(luò)傳遞函數(shù)的乘積。這樣，任何復(fù)雜的濾波網(wǎng)絡(luò)，可由若干簡單的一階與二階濾波電路級聯(lián)構(gòu)成。 模擬濾波器的頻率特性模擬濾波器的傳遞函數(shù)H(s)表達(dá)了濾波器的輸入與輸出間的傳遞關(guān)系。若濾波器的

6、輸入信號Ui是角頻率為w的單位信號，濾波器的輸出Uo(jw)=H(jw)表達(dá)了在單位信號輸入情況下的輸出信號隨頻率變化的關(guān)系，稱為濾波器的頻率特性函數(shù)，簡稱頻率特性。頻率特性H(jw)是一個復(fù)函數(shù)，其幅值A(chǔ)(w)稱為幅頻特性，其幅角(w)表示輸出信號的相位相對于輸入信號相位的變化，稱為相頻特性。 1.3濾波器的主要特性指標(biāo)特征頻率：通帶截頻fp=wp/(2p)為通帶與過渡帶邊界點(diǎn)的頻率，在該點(diǎn)信號增益下降到一個人為規(guī)定的下限。阻帶截頻fr=wr/(2p)為阻帶與過渡帶邊界點(diǎn)的頻率，在該點(diǎn)信號衰耗(增益的倒數(shù))下降到一人為規(guī)定的下限。轉(zhuǎn)折頻率fc=wc/(2p)為信號功率衰減到1/2(約3dB)

7、時的頻率，在很多情況下，常以fc作為通帶或阻帶截頻。固有頻率f0=w0/(2p)為電路沒有損耗時，濾波器的諧振頻率，復(fù)雜電路往往有多個固有頻率。增益與衰耗濾波器在通帶內(nèi)的增益并非常數(shù)。對低通濾波器通帶增益Kp一般指w=0時的增益；高通指w時的增益；帶通則指中心頻率處的增益。對帶阻濾波器，應(yīng)給出阻帶衰耗，衰耗定義為增益的倒數(shù)。通帶增益變化量Kp指通帶內(nèi)各點(diǎn)增益的最大變化量，如果Kp以dB為單位，則指增益dB值的變化量。 阻尼系數(shù)與品質(zhì)因數(shù) 阻尼系數(shù)是表征濾波器對角頻率為w0信號的阻尼作用，是濾波器中表示能量衰耗的一項指標(biāo)。阻尼系數(shù)的倒數(shù)稱為品質(zhì)因數(shù)，是評價帶通與帶阻濾波器頻率選擇特性的一個重要指

8、標(biāo)，Q= w0/w。式中的w為帶通或帶阻濾波器的3dB帶寬， w0為中心頻率，在很多情況下中心頻率與固有頻率相等。 靈敏度濾波電路由許多元件構(gòu)成，每個元件參數(shù)值的變化都會影響濾波器的性能。濾波器某一性能指標(biāo)y對某一元件參數(shù)x變化的靈敏度記作Sxy，定義為： Sxy=(dy/y)/(dx/x)。該靈敏度與測量儀器或電路系統(tǒng)靈敏度不是一個概念，該靈敏度越小，標(biāo)志著電路容錯能力越強(qiáng)，穩(wěn)定性也越高。群時延函數(shù)當(dāng)濾波器幅頻特性滿足設(shè)計要求時，為保證輸出信號失真度不超過允許范圍，對其相頻特性(w)也應(yīng)提出一定要求。在濾波器設(shè)計中，常用群時延函數(shù)d(w)/dw評價信號經(jīng)濾波后相位失真程度。群時延函數(shù)d(w)

9、/dw越接近常數(shù)，信號相位失真越小。這次我們小組設(shè)計的2002000赫茲語音濾波器（二階有源帶通濾波器）由一級二階低通濾波電路和一級二階高通濾波電路串聯(lián)組成?？梢詷?gòu)成帶通濾波電路，條件是低通濾波器的截止角頻率Wh大于高通濾波電路的截止角頻率Wl。它能抑制低于200以下和高于2000的信號第二章 實(shí)驗?zāi)康恼莆障到y(tǒng)各功能模塊的基本原理；培養(yǎng)基本掌握電路設(shè)計的基本思路和方法；提高學(xué)生對所學(xué)理論的知識的理解能力；提高和掘?qū)W生對所學(xué)知識的實(shí)際應(yīng)用能力；提高學(xué)生的科技學(xué)做論文能力。第三章 方案設(shè)計與論證3.1第一步確定設(shè)計思路 考慮到實(shí)用性，帶負(fù)載能力要比較強(qiáng)，要滿足輸入阻抗應(yīng)足夠高，輸出阻抗應(yīng)夠??；要滿

10、足阻帶衰減頻率-40db/10倍頻程，有兩種考慮方案：一種是用一階濾波器進(jìn)行級聯(lián)，另一種直接采用二階濾波器，本實(shí)驗中采用第二種?？紤]到電路的穩(wěn)定性及增益AV=4，應(yīng)采用有源濾波器。集成有源濾波器有如下優(yōu)點(diǎn)：1、在制作截止頻率或中心頻率較低的濾波器時，可以做到體積小、重量輕、成本低；2、由于采用集成電路，所以受環(huán)境條件（如機(jī)械振動、溫度、濕度、化學(xué)因素等）的影響小；3、受電磁干擾的影響??；4、由于采用集成電路，可避免各濾波節(jié)之間的負(fù)載效應(yīng)而使濾波器的設(shè)計和計算大簡。綜合以上原因我選擇集成運(yùn)放做語音濾波器。 3.2第二步確定設(shè)計方案 表1二階低通濾波器設(shè)計表：表2二階高通根據(jù)要求及設(shè)計表我選擇的設(shè)

11、計方案如下：低通部分選擇壓控電壓源電路，增益2；高通部分選擇壓控電壓源電路，增益為2；然后將兩者級聯(lián)。3.3論證：在滿足低通帶截止頻率高于高通帶截止頻率的條件下，把相同元件壓控電壓濾波器的低通和高通起來可以實(shí)現(xiàn)帶通濾波器的通帶響應(yīng)。用該方法構(gòu)成的帶通濾波器的通帶較寬，通帶截止頻率易于調(diào)整，因此多用做測量信號噪聲比(SN)的音頻帶通濾波器。第四章 元器件選取及計算，電路圖設(shè)計4.1元器件參數(shù)選?。阂x擇一種集成運(yùn)放，首先要考慮到它的通頻帶是否滿足本設(shè)計的要求。uA741作為通用運(yùn)放，能滿足要求，部分參數(shù)如下：對于低通部分：參數(shù)值為R1=5.63K,R2=11.25K,R3= R4=33.76K,

12、由設(shè)計表上給出的計算公式得出C=C1=0.01uF（k=100/fc*c），在本設(shè)計中K=5。對于高通部分：參數(shù)值為R5=9.105K,R6=6.955K, R7= R8=13.91K，由設(shè)計表上給出的計算公式得出C1=C3=0.1uF（k=100/fc*c），在本設(shè)計中K=5 。4.2電路圖設(shè)計原理圖如下：圖一為二階有源低通濾波電路：圖二為二階有源高通濾波電路：工作原理：利用高通和低通級聯(lián)來組成一個帶通。第五章 總原理圖及元器件清單5.1圖三為總原理圖：5.2元器件清單：元件序號型號主要參數(shù)數(shù)量備注A1 A2Ua7412運(yùn)算放大器R15.6k1電阻R211 k1電阻R3， R433 k1電阻

13、R59.1 k1電阻R66.8 k1電阻R7,R813 k1電阻C,C10.01F1電容C20.1F2電容第六章 參考公式fH=2000Hz fl=200Hz f=1/T=2/T=2f =1/RC R=1/cAv=A1A2=4K=100/fcC（數(shù)據(jù)主要是查表得來的）第七章 仿真測試與性能分析二階有源濾波器不用電感元件、有一定增益、重量輕、體積小和調(diào)試方便，可用在信息處理、數(shù)據(jù)傳輸和抑制干擾等方面,但因受運(yùn)算放大器的頻帶限制，這類濾波器主要用于低頻。第一仿真測試失敗，可能數(shù)據(jù)存在一定錯誤。經(jīng)過修改數(shù)據(jù)仍然有小誤差。由于時間問題仿真測試不再進(jìn)行。本電路從理論上講是可以的。可以抑制低于200赫茲以

14、下和高于2000赫茲以上的頻率。理論上性能是可靠的但從實(shí)際出發(fā)我們小組仍需努力的改進(jìn)數(shù)據(jù)使得數(shù)據(jù)更加的精確。性能理論上達(dá)到了實(shí)驗的要求。仿真結(jié)果見附錄。第八章 結(jié)論我們這次設(shè)計利用了二階有源高通濾波電路和一個二階有源低通濾波電路串聯(lián)成所要求的語音濾波電路。在滿足低通帶截止頻率高于高通帶截止頻率的條件下，把相同元件壓控電壓濾波器的低通和高通起來可以實(shí)現(xiàn)帶通濾波器的通帶響應(yīng)。重要的是本次設(shè)計法對要求特性保持一致較寬范圍內(nèi)變化的情況比較適用，但必須使用精度和穩(wěn)定性均較高的元件。設(shè)計出來的語音濾波器基本實(shí)現(xiàn)了設(shè)計要求，截止頻率200Hz2000Hz；電壓增益基本符合；阻帶衰減速率也基本上吻合設(shè)計要求。

15、第九章 心得體會通過這次設(shè)計語音濾波器，小組收集到很多很好的資料，從而在構(gòu)思上給了我們這組很大的幫助。在收集資料過程中，我們都很好的復(fù)習(xí)了以前學(xué)習(xí)過的有關(guān)知識，尤其是低通與高通濾波電路增進(jìn)了了解。這次設(shè)計，根據(jù)課題的技術(shù)指標(biāo)，基本上完成了設(shè)計的整體方案，并進(jìn)行了一些有關(guān)數(shù)據(jù)計算。這是一個團(tuán)體之間的合作，我們一起完成了語音濾波器的設(shè)計任務(wù)，總的來說是基本上實(shí)現(xiàn)了設(shè)計所要求的功能，但一定程度上還是有很多不足之處。這次設(shè)計也培養(yǎng)了我們的電路設(shè)計基本思路和方法，提高了對所學(xué)知識的理解能力和實(shí)際應(yīng)用能力，也在一定程度上提高了我們寫作論文的能力，了解了這一方向，能尋找出一些突破口，從而基本上達(dá)到了這次課程設(shè)計的目的。第十章 參考文獻(xiàn)電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬部分 第五版 ， 高等教育出版社；華中科技大學(xué)電子技術(shù)課程組編；電子線路設(shè)計·實(shí)驗·測試第三版，華中科技大學(xué)出版社；謝自美主編。電路與電子技術(shù)試驗第一版，中南大學(xué)出版社；曹才開等編著。高頻電子線路 西安電子科技大學(xué)出版社；申功邁  鈕文良編著模擬電子技術(shù)西安電子科技大學(xué)出版社；鄔國揚(yáng)主編附 錄公式推導(dǎo)：k1=k2=5 c1=c=100/k Fh=0.01F c2=100/k fl=0.1FR1=5*1.126