語音濾波器課程設計--語音濾波器

1、<p><b>　　課程設計說明書</b></p><p>　　課題名稱：語音濾波器</p><p><b>　　專業(yè)名稱：通信工程</b></p><p><b>　　學生班級：</b></p><p><b>　　學生姓名： </b><

2、/p><p><b>　　學生學號： </b></p><p><b>　　指導教師： </b></p><p>　　設計時間：2013.6.1-2013.6.28</p><p><b>　　課程設計任務書</b></p><p><b>　?。?/p>

3、一）設計目的</b></p><p>　　1、學習有源濾波電路的設計方法；</p><p>　　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

4、率為</p><p><b>　　2、設計要求</b></p><p>　　設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PC

5、B板上安裝好電路并調試；</p><p>　　測量濾波器的性能參數(shù)：截止頻率、帶內增益和阻帶衰減速率；</p><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>&l

6、t;b>　　3、設計擴展要求</b></p><p>　　（1）能對信號進行頻譜分析和失真分析；</p><p>　?。?）能對失真度進行測量。</p><p><b>　?。ㄈ┰O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><

7、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，若某項指標偏差較大，則應根據(jù)設計表調整修改相應元件的值。</p><p><b>　　4、設計用儀器設備</b></p><p><b>　?。?）數(shù)字電壓表</b></p><p

8、>　?。?）面包板或萬能板</p><p>　?。?）智能電工實驗臺</p><p><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><

9、p>　　741兩塊、電阻電容若干</p><p><b>　?。ㄋ模┰O計報告要求</b></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><

10、;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<

11、/p><p>　　1.1 濾波器的功能和類型 ……………………………………5</p><p>　　1.2 模擬濾波器的傳遞函數(shù)與頻率特性 ……………………6</p><p>　　1.3 濾波器的主要特性指標 …………………………………7</p><p>　　第二章 課程設計目的………………………………………………8</p>

12、<p>　　第三章 濾波器設計方案與論證……………………………………8</p><p>　　3.1 第一步確定設計思路………………………………………8</p><p>　　3.2 第二步確定設計方案………………………………………9</p><p>　　第四章 單元電路設計與參數(shù)計算………………………………12</p><p&g

13、t;　　4.1 元器件參數(shù)選取……………………………………………12</p><p>　　4.2 電路圖設計…………………………………………………13</p><p>　　第五章 總原理圖及元器件清單 ………………………………14</p><p>　　5.1 總原理圖 …………………………………………………14</p><p>　　5.

14、2 元器件清單 ………………………………………………14</p><p>　　第六章 參數(shù)公式 …………………………………………………15</p><p>　　第七章 仿真………………………………………………………15</p><p>　　第八章 測試結果及誤差分析……………………………………16</p><p>　　8.1 測試結果…

15、…………………………………………………16</p><p>　　8.2 誤差分析……………………………………………………18</p><p>　　第九章 結 論……………………………………………………20</p><p>　　第十章 心得體會…………………………………………………20</p><p>　　附錄 …………………………………

16、…………………………21</p><p><b>　　第一章 概 述</b></p><p>　　1.1濾波器的功能和類型</p><p>　　濾波器其實就是頻率選擇電路，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。對于低通濾波器，將低于某一頻率

17、wc（w<wc）的所有信號予以傳送，而無任何失真，將頻率高于這一頻率wc（w>wc）的信號完全衰減，這一頻率wc稱為截止頻率，高通濾波器則相反；帶通濾波器要求帶通系統(tǒng)的幅頻特性在帶通內為常數(shù)，相頻特性為通過載頻w0點的直線。理論上，在通帶內電壓增益為常數(shù)，阻帶內的電壓增益為零；實際上，通帶和阻帶間存在一定頻率范圍的過渡帶。濾波器在近代電信設備和各類控制系統(tǒng)中應用極為廣泛。 </p><p>　　濾波器

18、按功能可分為：低通、帶通、高通、帶阻等。</p><p><b>　　功能：</b></p><p>　　濾波器是具有選頻作用的電路或運算處理系統(tǒng)，具有濾除不需要的信號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

19、；</p><p>　　按功能分：低通、高通、帶通、帶阻；</p><p>　　按電路組成分：LC無源、RC無源、由特殊元件構成的無源濾波器、RC有源濾波器，RC電路中又有壓控電壓源電路和無限增益多路反饋電路；</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<

20、/p><p>　　模擬濾波器的傳遞函數(shù)</p><p>　　傳遞函數(shù)用來描述模擬濾波電路的特性。傳遞函數(shù)是輸出與輸入信號電壓或電流拉氏變換之比。</p><p>　　對于任意復雜的濾波網(wǎng)絡，均可分解為若干簡單的一階與二階濾波電路級聯(lián)構成。因為任意個線性網(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。</p><p>　　表1.2.1 二階R

21、C濾波器的傳輸函數(shù)</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(jw)會隨輸入信號的不同頻率而變化，稱為濾波器的頻率特性。</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

22、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><b>　　(b)</b></p><p><b>　　(c)</b></p><p>　　圖1.2.2 濾波器的幅頻特性曲線</p><p>　?。╝）高通 （b）帶通 （c）低通</p>

23、<p>　　一般來說，濾波器的幅頻特性越好，其相頻特性越差，反之亦然。濾波器RC節(jié)數(shù)越多，電路調試越困難。常用的逼近方法是巴特沃斯最大平坦效應和切比夫雪等波動效應</p><p>　　1.3濾波器的主要特性指標</p><p><b>　　特征頻率：</b></p><p>　?、偻◣Ы仡lfp=wp/(2p)為通帶與過渡帶邊界點的頻

24、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>　　③轉折頻率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，常以fc作為通帶或阻帶截頻。</p><p>　?、芄逃蓄l率f0=w0/(2p)為

25、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>　　這次我們小組設計的200—2000Hz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?？梢詷嫵蓭V波電路，條件是低通濾波器的截止角頻率fH大于高通濾波電路的截止角頻率fL。它能抑制低于200Hz以下和高于2000Hz的信號</p><p>　　第二章 課程設計目的&

26、lt;/p><p>　?、僬莆障到y(tǒng)各功能模塊的基本原理；</p><p>　　②熟悉電路設計的基本方法；</p><p>　?、坼憻拰W生理論與實踐應用能力；</p><p>　?、芘囵B(yǎng)對儀器的基本設計和說明書編寫能力；</p><p>　?、萏岣邎F隊協(xié)作能力；</p><p>　　第三章 濾波器方

27、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，要滿足輸入阻抗應足夠高，輸出阻抗應夠小。</p><p>　　根據(jù)設計要求，要求的帶寬范圍很寬，阻帶衰減頻率-40db/10倍頻程帶通濾波電路，可以采用一個高通和一個低通的濾波電路級聯(lián)而成，將帶通濾波電路看成兩部分，分別求出兩部分電路元件參數(shù)，Av放大倍

28、數(shù)也分成兩部分Avl，Avh，Av即兩部分相乘， Av=4，我們在設計電路時應先計算好電阻，電容值。</p><p>　　圖3.1.1 帶通濾波器設計原理</p><p>　　圖3.1.2 系統(tǒng)框圖</p><p>　　3.2第二步確定設計方案</p><p><b>　　二階低通濾波器</b></p>&

29、lt;p>　　由濾波器的指標要求可知，帶通范圍是200Hz~2000Hz，所以所設計的低通濾波器的截止頻率為2000Hz。</p><p>　　表3.2.1 濾波器工作頻率與電容取值的對應表</p><p>　　電路根據(jù)二階濾波器（巴特沃斯響應）設計表設計，如下表3.2.2</p><p>　　注：設計表的公式：K= （如帶通、帶組K=100/f0C）<

30、;/p><p>　　由于低通濾波器采用壓控電壓源電路比較容易實現(xiàn)，增益也很好調，所以本次電路設計采用壓控電壓源電路。壓控為同相輸入接法，此濾波器輸入阻抗很高，輸出阻抗很低，濾波器相當于一個電壓源。</p><p><b>　　二階高通濾波器</b></p><p>　　由濾波器的指標要求可知，帶通范圍是200Hz~2000Hz，所以所設計的高通濾波

31、器的低邊截止角頻率為200Hz。</p><p>　　表3.2.3 二階高通濾波器（巴特沃斯）設計表</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>　　第四章 元器件選取及計算，電路圖設計</p><p>　　4.1元器

32、件參數(shù)選取：</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：根據(jù)截止頻率fH=2000Hz從表3.2.1中選定一定電容C的標稱值C=C1=0.01uF，由公式：K= 得K=5。K=1時的R同乘以5：</p><p>　　參數(shù)值為R1=5.63K

33、,R2=11.25K,R3= R4=33.76K </p><p>　　高通部分：根據(jù)截止頻率fL=200Hz從表3.2.1中選定一定電容C的標稱值C2=C2=0.1uF，由公式：K= 得K=5。</p><p>　　從圖3.2.3中可以查出Av=2時對應的電阻值（K=1時），K=1時的R同乘以5：參數(shù)值為R5=9.105K,R6=6.955K, R7= R8=13.91K。<

34、/p><p><b>　　4.2電路圖設計</b></p><p>　　工作原理：利用高通和低通級聯(lián)來組成一個帶通。</p><p>　　圖4.2.1為二階有源低通濾波電路：</p><p><b>　　：</b></p><p>　　圖4.2.2為二階有源高通濾波電路：<

35、/p><p>　　第五章 總原理圖及元器件清單</p><p><b>　　5.1總原理圖</b></p><p>　　圖5.1.1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>&l

36、t;/p><p><b>　　經(jīng)查表的下列公式：</b></p><p>　　低通：Wc2=1/（R1×R2×C1×C）=157.88×106 AVL=1+R4/R3=2 f=wc/2π=2000Hz</p><p>　　高通: Wc2=1/(R5×R6×C22) =1.579

37、5;106 AVH=1+R8/R7=2 f=wc/2π=200Hz</p><p>　　fH=2000Hz fl=200Hz f=1/T</p><p>　　ω=2π/T=2πf </p><p>　　ω=1/RC R=1/ωc</p><p><b>　　Av=A1A2=4</b></p&g

38、t;<p><b>　　K=100/fcC</b></p><p><b>　　第七章 仿真</b></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>　　多次

39、仿真，多次修改數(shù)據(jù)，但仿真仍存在誤差。此濾波器可以抑制低于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>　　仿真電路圖：</b></p><p>　　第八章 測試結果及誤差分析</p><p><b>　　8

40、.1測試結果</b></p><p><b>　　幅頻：</b></p><p><b>　　200hz時：</b></p><p>　　f=191.6Hz時，Av=2.57，與理論值4×0.707=2.828相差0.258，誤差率為9%</p><p><b>　　

41、1000hz時：</b></p><p>　　f=1KHz時，Av=3.89，與理論值Av=4相差0.11，誤差率為2.7%</p><p><b>　　2000hz時：</b></p><p>　　f=2KHz，Av=2.92，與理論值4×0.707=2.828相差0.092，誤差率為3%</p><

42、p><b>　　1000hz時：</b></p><p><b>　　相頻特性：</b></p><p><b>　　200hz：</b></p><p>　　∮=87.220°，理論值∮=+90°相差2.780，誤差率為3%</p><p><

43、b>　　1000hz：</b></p><p>　　∮=-25.400°，與理論值相差∮=-45°相差-19.6°誤差率為43%</p><p><b>　　2000hz：</b></p><p>　　∮=-78.800°，與理論值∮=-90°相差-11.2°，誤差率

44、為12%</p><p><b>　　8.2誤差分析：</b></p><p>　　1）對誤差分析要做到精確，全面。</p><p>　　2）本設計由于元器件選取參數(shù)與理論參數(shù)的不同而產(chǎn)生誤差，加上人身誤差，設計方法本身存在誤差</p><p><b>　　第九章 結論</b></p>

45、<p>　　我們這次設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200H

46、z～2000Hz；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>　　第十章 心得體會</b></p><p>　　通過近一個月對理論的研究，設計思路的摸索，我們成功做成了語音濾波器，無比興奮。以我們目前掌握的知識顯然應對課程設計是很困難的，我們小組收集到很多很好的資料，從設計原理到設計過程、思路都給我們很大的幫助，同時也加深了對理論知

47、識的理解，尤其是低通與高通濾波電路增進了理解。這次設計，根據(jù)課題的技術指標，在進行了數(shù)據(jù)計算，基本上完成了設計的整體方案。我們團體協(xié)作，共同完成了語音濾波器的設計任務，總的來說是基本上實現(xiàn)了設計所要求的功能，但一定程度上還是有很多不足之處。這次設計也培養(yǎng)了我們的電路設計基本思路和方法，提高了我們綜合運用知識的能力以及分析問題、解決問題的能力，培養(yǎng)我們對專業(yè)知識的興趣，也在一定程度上提高了我們寫作論文的能力，從而基本上達到了這次課程設計的

48、目的。我也明白理論和實際是不同的兩個環(huán)節(jié)，就比如，設計出來的電路在理論上是可行的，但是實際做出來的板子可能也會沒有波形出現(xiàn)，這就需要調試，調試又要從理論上找準修改的元器件的值，所以在這次理論與實踐相結合的設計中，我收獲頗多。</p><p><b>　　附 錄</b></p><p><b>　　參考文獻:</b></p><

49、;p>　?、佟峨娮蛹夹g基礎模擬部分》 第五版 ， 高等教育出版社；</p><p>　　華中科技大學電子技術課程組編；</p><p>　　②《電子線路設計·實驗·測試》第三版，華中科技大學出版社；</p><p><b>　　謝自美主編。</b></p><p>　?、邸峨娐放c電子技術試驗》第

50、一版，中南大學出版社；曹才開等編著。</p><p>　?、堋陡哳l電子線路》 西安電子科技大學出版社；申功邁  鈕文良編著</p><p>　?、荨赌M電子技術》西安電子科技大學出版社；鄔國揚主編</p><p><b>　　公式推導：</b></p><p>　　k1=k2=5

51、 </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><p>　　R2=5×2.250=11.25 kΩ

52、 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

53、 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>　　實物圖及PCB圖：</b></p><p><