語音濾波器課程設計

1、<p><b>　　課程設計說明書</b></p><p>　　課題名稱：語音濾波器</p><p>　　專業(yè)名稱：電氣自動化技術</p><p>　　學生班級：電氣1101班</p><p><b>　　學生姓名： </b></p><p><b>　　

2、學生學號： </b></p><p><b>　　指導教師： </b></p><p><b>　　課程設計任務書</b></p><p><b>　　（一）設計目的</b></p><p>　　1、學習有源濾波電路的設計方法；</p><p&g

3、t;　　2、掌握二階RC有源濾波器性能參數(shù)的測試技術。</p><p>　　（二）設計要求和技術指標</p><p><b>　　1、技術指標：</b></p><p>　　截止頻率，，，阻帶衰減速率為</p><p><b>　　2、設計要求</b></p><p>　　設

4、計一個能滿足要求的二階有源濾波電路；</p><p>　　要求繪出原理圖，并用Protel畫出印制板圖；</p><p>　　根據(jù)設計要求和技術指標設計好電路，選好元件及參數(shù)；</p><p>　　在萬能板或面包板或PCB板上安裝好電路并調(diào)試；</p><p>　　測量濾波器的性能參數(shù)：截止頻率、帶內(nèi)增益和阻帶衰減速率；</p>

5、<p>　　用EWB對電路仿真，并打印出幅頻特性和相頻特性曲線；</p><p>　　擬定測試方案和設計步驟；</p><p><b>　　寫出設計性報告。</b></p><p><b>　　3、設計擴展要求</b></p><p>　?。?）能對信號進行頻譜分析和失真分析；</

6、p><p>　?。?）能對失真度進行測量。</p><p><b>　　（三）設計提示</b></p><p>　　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)；</p><p>　　2、電路根據(jù)二階濾波器（巴特沃斯響應）設計表設計，采用壓控電壓源電路；</p><p>　　3、在測試過程中，

7、若某項指標偏差較大，則應根據(jù)設計表調(diào)整修改相應元件的值。</p><p><b>　　4、設計用儀器設備</b></p><p><b>　　（1）數(shù)字電壓表</b></p><p>　?。?）面包板或萬能板</p><p>　　（3）智能電工實驗臺</p><p><

8、b>　　5、參考書：</b></p><p>　　《電子線路設計·實驗·測試》華中科技大學出版社</p><p><b>　　6、設計用主要器件</b></p><p>　　741兩塊、電阻電容若干</p><p><b>　?。ㄋ模┰O計報告要求</b><

9、/p><p><b>　　1、選定設計方案；</b></p><p>　　2、擬出設計步驟，畫出電路，分析并計算主要元件參數(shù)值；</p><p>　　3、列出測試數(shù)據(jù)表格。</p><p><b>　?。ㄎ澹┰O計總結</b></p><p>　　1、總結有源濾波器的設計方法和運用

10、到的主要知識點； </p><p>　　2、總結有源濾波器性能參數(shù)的測試方法。</p><p>　　目 錄</p><p>　　第一章 概 述…………………………………………………5</p><p>　　1.1濾波器的功能和類型 ……………………………………5</p><p>　　1.2模擬

11、濾波器的傳遞函數(shù)與頻率特性 ……………………5</p><p>　　1.3濾波器的主要特性指標 …………………………………6</p><p>　　第二章 實驗目的 …………………………………………………7</p><p>　　第三章 方案設計與論證…………………………………………8</p><p>　　3.1第一步確定設計思路…………………

12、……………………8</p><p>　　3.2第二步確定設計方案………………………………………8</p><p>　　3.3論證 ………………………………………………………10</p><p>　　第四章 單元電路設計與參數(shù)計算………………………………11</p><p>　　4.1元器件參數(shù)選取……………………………………………11<

13、;/p><p>　　4.2電路圖設計…………………………………………………11</p><p>　　第五章 總原理圖及元器件清單 ………………………………13</p><p>　　5.1總原理圖 …………………………………………………13</p><p>　　5.2元器件清單 ………………………………………………13</p>

14、<p>　　第六章 參數(shù)公式 …………………………………………………14</p><p>　　第七章 仿真測試與性能分析……………………………………14</p><p>　　第八章 結 論……………………………………………………15</p><p>　　第九章 心得體會…………………………………………………15</p><p&

15、gt;　　第十章 參考文獻 …………………………………………………16</p><p>　　附錄 ……………………………………………………………17</p><p><b>　　第一章 概 述</b></p><p>　　1.1濾波器的功能和類型</p><p>　　濾波器其實就是選頻電路，可允許部分頻率的信號順利通過

16、，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；實際上，通帶和阻帶間存在一定頻率范圍的過渡帶。 </p><p>　　從功能上分，濾波器分為低通、帶通、高通、帶阻等。</p><p><b>　　功能：</b><

17、;/p><p>　　濾波器是具有頻率選擇作用的電路或運算處理系統(tǒng)，具有濾除噪聲和分離各種不同信號的功能。</p><p><b>　　類型：</b></p><p>　　按處理信號形式分：模擬濾波器和數(shù)字濾波器</p><p>　　按功能分：低通、高通、帶通、帶阻</p><p>　　按電路組成分：L

18、C無源、RC無源、由特殊元件構成的無源濾波器、RC有源濾波器</p><p>　　按傳遞函數(shù)的微分方程階數(shù)分：一階、二階、高階</p><p>　　1.2模擬濾波器的傳遞函數(shù)與頻率特性</p><p>　　模擬濾波器的傳遞函數(shù)</p><p>　　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。</

19、p><p>　　經(jīng)分析，任意個互相隔離的線性網(wǎng)絡級聯(lián)后，總的傳遞函數(shù)等于各網(wǎng)絡傳遞函數(shù)的乘積。這樣，任何復雜的濾波網(wǎng)絡，可由若干簡單的一階與二階濾波電路級聯(lián)構成。 </p><p>　　模擬濾波器的頻率特性</p><p>　　模擬濾波器的傳遞函數(shù)H(s)表達了濾波器的輸入與輸出間的傳遞關系。若濾波器的輸入信號Ui是角頻率為w的單位信號，濾波器的輸出Uo(jw)=H(j

20、w)表達了在單位信號輸入情況下的輸出信號隨頻率變化的關系，稱為濾波器的頻率特性函數(shù)，簡稱頻率特性。</p><p>　　頻率特性H(jw)是一個復函數(shù)，其幅值A(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。 </p><p>　　1.3濾波器的主要特性指標</p><p><b>　　特征頻率：</b&

21、gt;</p><p>　?、偻◣Ы仡lfp=wp/(2p)為通帶與過渡帶邊界點的頻率，在該點信號增益下降到一個人為規(guī)定的下限。</p><p>　　②阻帶截頻fr=wr/(2p)為阻帶與過渡帶邊界點的頻率，在該點信號衰耗(增益的倒數(shù))下降到一人為規(guī)定的下限。</p><p>　?、坜D(zhuǎn)折頻率fc=wc/(2p)為信號功率衰減到1/2(約3dB)時的頻率，在很多情況下，

22、常以fc作為通帶或阻帶截頻。</p><p>　　④固有頻率f0=w0/(2p)為電路沒有損耗時，濾波器的諧振頻率，復雜電路往往有多個固有頻率。</p><p><b>　　增益與衰耗</b></p><p>　　濾波器在通帶內(nèi)的增益并非常數(shù)。</p><p>　?、賹Φ屯V波器通帶增益Kp一般指w=0時的增益；高通指w

23、→∞時的增益；帶通則指中心頻率處的增益。</p><p>　?、趯ё铻V波器，應給出阻帶衰耗，衰耗定義為增益的倒數(shù)。</p><p>　　③通帶增益變化量△Kp指通帶內(nèi)各點增益的最大變化量，如果△Kp以dB為單位，則指增益dB值的變化量。 </p><p><b>　　阻尼系數(shù)與品質(zhì)因數(shù)</b></p><p>　　阻尼

24、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。</p><p>　　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標，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。 </p><p><b>　　靈敏度</b></p><

25、;p>　　濾波電路由許多元件構成，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)。</p><p>　　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，標志著電路容錯能力越強，穩(wěn)定性也越高。</p><p><b>　　群時延函數(shù)</b></p

26、><p>　　當濾波器幅頻特性滿足設計要求時，為保證輸出信號失真度不超過允許范圍，對其相頻特性∮(w)也應提出一定要求。在濾波器設計中，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)/dw越接近常數(shù)，信號相位失真越小。</p><p>　　這次我們小組設計的200—2000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

27、?？梢詷嫵蓭V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</p><p><b>　　第二章 實驗目的</b></p><p>　?、僬莆障到y(tǒng)各功能模塊的基本原理；</p><p>　?、谂囵B(yǎng)基本掌握電路設計的基本思路和方法；</p><p>

28、　?、厶岣邔W生對所學理論的知識的理解能力；</p><p>　?、芴岣吆途?qū)W生對所學知識的實際應用能力；</p><p>　?、萏岣邔W生的科技學做論文能力。</p><p>　　第三章 方案設計與論證</p><p>　　3.1第一步確定設計思路</p><p>　　考慮到實用性，帶負載能力要比較強，要滿足輸入阻抗應

29、足夠高，輸出阻抗應夠小；要滿足阻帶衰減頻率-40db/10倍頻程，有兩種考慮方案：一種是用一階濾波器進行級聯(lián)，另一種直接采用二階濾波器，本實驗中采用第二種?？紤]到電路的穩(wěn)定性及增益AV=4，應采用有源濾波器。集成有源濾波器有如下優(yōu)點：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（如機械振動、溫度、濕度、化學因素等）的影響?。?、受電磁干擾的影響?。?、由于采用集成電路，

30、可避免各濾波節(jié)之間的負載效應而使濾波器的設計和計算大簡。綜合以上原因我選擇集成運放做語音濾波器。</p><p>　　3.2第二步確定設計方案</p><p>　　表1二階低通濾波器設計表：</p><p><b>　　表2二階高通</b></p><p>　　根據(jù)要求及設計表我選擇的設計方案如下：低通部分選擇壓控電壓源

31、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)。</p><p><b>　　3.3論證：</b></p><p>　　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現(xiàn)帶通濾波器的通帶響應。用該方法構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(S／N)的音頻帶通濾波器。&

32、lt;/p><p>　　第四章 元器件選取及計算，電路圖設計</p><p>　　4.1元器件參數(shù)選?。?lt;/p><p>　　要選擇一種集成運放，首先要考慮到它的通頻帶是否滿足本設計的要求。uA741作為通用運放，能滿足要求，部分參數(shù)如下：</p><p>　　對于低通部分：參數(shù)值為R1=5.63K,R2=11.25K,R3= R4=33.76K

33、,由設計表上給出的計算公式得出C=C1=0.01uF（k=100/fc*c），在本設計中K=5。</p><p>　　對于高通部分：參數(shù)值為R5=9.105K,R6=6.955K, R7= R8=13.91K，由設計表上給出的計算公式得出C1=C3=0.1uF（k=100/fc*c），在本設計中K=5 。</p><p><b>　　4.2電路圖設計</b></

34、p><p><b>　　原理圖如下：</b></p><p>　　圖一為二階有源低通濾波電路：</p><p><b>　?。?lt;/b></p><p>　　圖二為二階有源高通濾波電路：</p><p>　　工作原理：利用高通和低通級聯(lián)來組成一個帶通。</p><

35、;p>　　第五章 總原理圖及元器件清單</p><p>　　5.1圖三為總原理圖：</p><p><b>　　5.2元器件清單：</b></p><p><b>　　第六章 參考公式</b></p><p>　　fH=2000Hz fl=200Hz f=1/T</p>

36、<p>　　ω=2π/T=2πf </p><p>　　ω=1/RC R=1/ωc</p><p><b>　　Av=A1A2=4</b></p><p><b>　　K=100/fcC</b></p><p><b>　?。〝?shù)據(jù)查表得來的）</b></

37、p><p>　　第七章 仿真測試與性能分析</p><p>　　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,但因受運算放大器的頻帶限制，這類濾波器主要用于低頻。</p><p>　　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行。本電路從理論上講是可以的。可

38、以抑制低于200赫茲以下和高于2000赫茲以上的頻率。理論上性能是可靠的但從實際出發(fā)我們小組仍需努力的改進數(shù)據(jù)使得數(shù)據(jù)更加的精確。性能理論上達到了實驗的要求。</p><p><b>　　仿真結果見附錄。</b></p><p><b>　　第八章 結論</b></p><p>　　我們這次設計利用了二階有源高通濾波電路

39、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現(xiàn)帶通濾波器的通帶響應。重要的是本次設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。</p><p>　　設計出來的語音濾波器基本實現(xiàn)了設計要求，截止頻率</p><p>　　200Hz~2000Hz；

40、電壓增益基本符合；阻帶衰減速率也基本上吻合設計要求。</p><p><b>　　第九章 心得體會</b></p><p>　　這次設計語音濾波器，我們小組收集到很多很好的資料，在收集資料過程中，我們都很好的復習了以前學習過的有關知識，尤其是低通與高通濾波電路增進了了解。在電路的設計和制作中，使我無形中加深了對模擬電子技術基礎的理解和運用能力，對課本及以前學過的知識

41、有了一個更好的總結。在電路的實物連接中出現(xiàn)了一些問題，需要不斷的解決，所以這幾周下來，我對問題的排查能力有了很大的提高；再次，通過此次課程設計，我對設計所用到得集成塊有了更加深刻地了解，這對我們以后的工作和學習的幫助都很有用處。</p><p>　　經(jīng)過以前的模電實驗，我對一些電路有很多的了解，感謝老師在實驗時的教導，使我在這次課件設計中比較輕松的學習和設計電路，并且對該電路有了深刻地認識。</p>

42、<p><b>　　第十章 參考文獻</b></p><p>　　①康華光， 《電子技術基礎模擬部分》 第五版 ， 高等教育出版社；2005</p><p>　?、谥x自美, 《電子線路設計·實驗·測試》第三版，華中科技大學出版社；2005</p><p>　?、鄄懿砰_, 《電路與電子技術試驗》第一版，中南大學出

43、版社；2004</p><p>　　④申功邁  鈕文良， 《高頻電子線路》 西安電子科技大學出版社；1995</p><p>　　⑤胡宴如， 《模擬電子技術》第二版，高等教育出版社； 2004 </p><p><b>　　附 錄</b></p><p><b>　　公式推導：

44、</b></p><p>　　k1=k2=5 </p><p>　　c1=c=100/k Fh=0.01μF c2=100/k fl=0.1μF</p><p>　　R1=5*1.126=5.63 kΩ R5=5*1.821=9.105 kΩ</p>

45、<p>　　R2=5*2.250=11.25 kΩ R6=5*1.391=6.955 kΩ</p><p>　　R3= R4=5*6.752=33.76 kΩ R7= R8=5*2.782=13.91 kΩ</p><p>　　由于在市場上買不到這樣數(shù)值的電阻，所以?。?lt;/p><p>　　R1=5.6 kΩ

46、 R5=9.1 kΩ </p><p>　　R2=11 kΩ R6=6.8 kΩ </p><p>　　R3= R4=33 kΩ R7= R8=13 kΩ </p><p><b>　　仿真：</b></p>&

47、lt;p><b>　　1仿真電路圖：</b></p><p><b>　　幅頻：</b></p><p><b>　　200hz時：</b></p><p><b>　　1000hz時：</b></p><p><b>　　2000hz時：