課設(shè)論文—語(yǔ)音濾波器的設(shè)計(jì)

1、<p>　　編號(hào)： </p><p>　　課程設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書(shū)</p><p>　　課 題： 語(yǔ)音濾波器的設(shè)計(jì) </p><p>　　學(xué) 院： </p><p>　　專(zhuān) 業(yè)： </p><p>　　學(xué)生姓名：

2、 </p><p>　　學(xué) 號(hào)： </p><p>　　指導(dǎo)教師： </p><p>　　2011 年 11月 11日</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　音頻濾波器的設(shè)計(jì)是以放大器作為系統(tǒng)核心

3、控制部分，利用RC電路，通過(guò)軟件技術(shù)的設(shè)計(jì)和硬件的制作，然后進(jìn)行硬件的調(diào)試與運(yùn)行，最終達(dá)到濾除無(wú)用的頻譜成分的目的。對(duì)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(jí)聯(lián)。允許一定頻段的信號(hào)通過(guò)，抑制低于或高于該頻段噪聲。其優(yōu)點(diǎn)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(wú)關(guān)。其缺點(diǎn)為：1、元件的帶寬有限，限制了他的應(yīng)用只能在音頻范圍內(nèi)；2、需要電源；3、處理信號(hào)的幅度有限，超過(guò)限度會(huì)失真；4、產(chǎn)生較大的電噪聲

4、。</p><p><b>　　關(guān)鍵字：</b></p><p>　　放大器；帶通濾波器，RC電路</p><p><b>　　目 錄</b></p><p>　　1 引言………………………………………………………………………………… 5 </p><p>　　

5、1．1 濾波器簡(jiǎn)介…………………………………………………………………………… 5</p><p>　　1.2 巴特沃斯響應(yīng)………………………………………………………………………… 5</p><p>　　1.3 低通濾波器 …………………………………………………………………………… 5 </p><p>　　1.4 高通濾波器……………………

6、……………………………………………………… 5 1.5 帶通濾波器 …………………………………………………………………………… 5</p><p>　　2 設(shè)計(jì)要求……………………………………………………………………………… 6 </p><p>　　3 方案的選擇與電路的設(shè)計(jì)……………………………………………………… 6 </p><p>

7、;　　3.1 帶通濾波器的組成…………………………………………………………………… 6</p><p>　　3.2 設(shè)計(jì)方案的選擇………………………………………………………………………… 7 </p><p>　　4 電路原理與參數(shù)計(jì)算………………………………………………………………… 7</p><p>　　4.1巴特沃斯低通、高通電路階數(shù)n

8、與增益G之關(guān)系……………………………………… 7 </p><p>　　4.2 低通濾波器的設(shè)計(jì)……………………………………………………………………… 8</p><p>　　4.3 高通濾波器的設(shè)計(jì)………………………………………………………………………… 9</p><p>　　4.4 放大器的設(shè)計(jì)………………………………………………………………………

9、…………10</p><p>　　4．5 組合電路原理圖……………………………………………………………… ……………10</p><p>　　5 器件的選擇…………………………………………………………………………………11 </p><p>　　6 電路的仿真……………………………………………………………………………… 12</p><p&g

10、t;　　6.1仿真電路圖……………………………………………………………………………………12</p><p>　　6.2 仿真中出現(xiàn)的問(wèn)題……………………………………………………………………………13</p><p>　　6.3 仿真結(jié)果…………………………………………………………………………………… 13</p><p>　　7 電路的調(diào)試 ……………………

11、……………………………………………………… 14</p><p>　　7.1 電路的組裝……………………………………………………………………………………14</p><p>　　7.2 主要儀器和儀表………………………………………………………………………………14</p><p>　　7．3 調(diào)試電路的方法和技巧…………………………………………………………………1

12、5</p><p>　　7.4 測(cè)試數(shù)據(jù)和波形……………………………………………………………………. ……15</p><p>　　7.5 調(diào)試中出現(xiàn)的故障原因和排除方法…………………………………………………… 17</p><p>　　8 設(shè)計(jì)總結(jié) ………………………………………………………………………………… 17</p><p>　　

13、參考文獻(xiàn)……………………………………………………………………………………………18</p><p>　　附錄…………………………………………………………………………………………………18</p><p>　　附錄1 元件清單………………………………………………………………………………v…v18</p><p>　　附錄2 電路原理圖…………………………………………

14、…………………………………… 19</p><p>　　附錄3 PCB圖…………………………………………………………………………………… 19</p><p>　　附錄四 實(shí)際調(diào)試波形……………………………………………………. …………………… 19</p><p><b>　　1 引言</b></p><p>　

15、　1．1 濾波器簡(jiǎn)介</p><p>　　濾波器是一種對(duì)信號(hào)有處理作用的器件或電路。是一種用來(lái)消除干擾雜訊的器件，將輸入或輸出經(jīng)過(guò)過(guò)濾而得到純凈的直流電。對(duì)特定頻率的頻點(diǎn)或該頻點(diǎn)以外的頻率進(jìn)行有效濾除的電路。 </p><p>　　1.2 巴特沃斯響應(yīng) </p><p>　　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(hào)，然后慢慢衰

16、減至截止頻率點(diǎn)為-3dB，最終逼近-20ndB/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(duì)于維護(hù)增益的平坦性來(lái)說(shuō)非常重要。</p><p>　　1.3 低通濾波器： 低通濾波器容許低頻信號(hào)通過(guò), 但減弱(或減少)頻率高于截止頻率的信號(hào)的通過(guò)。對(duì)于不同濾波器而言,每個(gè)頻率的信號(hào)的減弱程度不同。當(dāng)使用在音頻應(yīng)用時(shí),它有時(shí)被稱(chēng)為高頻剪切濾波器, 或高音消除濾波器。低通濾波器概念有

17、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(hào)處理中的作用等同于其它領(lǐng)域如金融領(lǐng)域中移動(dòng)平均數(shù)（moving average)所起的作用；這兩個(gè)工具都通過(guò)剔除短期波動(dòng)、保留長(zhǎng)期發(fā)展趨勢(shì)提供了信號(hào)的平滑形式。</p><p>　　1.4 高通濾波器： 　高通濾波器是指車(chē)載功放中能夠讓中、高頻信號(hào)

18、通過(guò)而不讓低頻信號(hào)通過(guò)的電路，其作用是濾去音頻信號(hào)中的低音成分，增強(qiáng)中音和高音成分以驅(qū)動(dòng)揚(yáng)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(duì)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。</p><p><b>　　1.5 帶通濾波器</b></p><p>　　一個(gè)理想的濾波器應(yīng)該有一個(gè)完全平坦的通帶，例如在通帶內(nèi)沒(méi)有增益或者衰減，并且在通帶之外

19、所有頻率都被完全衰減掉，另外，通帶外的轉(zhuǎn)換在極小的頻率范圍完成。實(shí)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率范圍外的所有頻率完全衰減掉，尤其是在所要的通帶外還有一個(gè)被衰減但是沒(méi)有被隔離的范圍。這通常稱(chēng)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(lái)表示。通常，濾波器的設(shè)計(jì)盡量保證滾降范圍越窄越好，這樣濾波器的性能就與設(shè)計(jì)更加接近。然而，隨著滾降范圍越來(lái)越小，通帶就變得不再平坦—開(kāi)始出現(xiàn)“波紋”。這種現(xiàn)象在通帶的邊緣處尤

20、其明顯。</p><p><b>　　2 設(shè)計(jì)要求</b></p><p><b>　　設(shè)計(jì)一個(gè)音頻濾波器</b></p><p><b>　　要求：</b></p><p>　　1）截止頻率fl=300Hz，fh=3KHz；</p><p>　　2

21、）增益Av＝10；</p><p>　　3）阻帶衰減速率大于等于40dB/10倍頻程；</p><p>　　4）調(diào)整并記錄濾波器的性能參數(shù)及幅頻特性。</p><p><b>　　3 方案設(shè)計(jì)</b></p><p>　　3.1 帶通濾波器的組成</p><p>　　由圖一（a）所示帶通濾

22、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(jí)聯(lián)而成。</p><p>　　3.2設(shè)計(jì)方案的選擇</p><p>　　對(duì)于每一個(gè)放大器當(dāng)增益大于3時(shí)會(huì)產(chǎn)生諧振現(xiàn)象，所以每個(gè)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(gè)放大器，所以選擇一個(gè)高通電路與一個(gè)低通電路級(jí)一個(gè)飯放大電路級(jí)聯(lián)的方式達(dá)到要求。其系統(tǒng)框圖如圖二所示：</p><p>　　

23、4 電路原理及參數(shù)設(shè)計(jì)</p><p>　　4.1巴特沃斯低通、高通電路階數(shù)n與增益G之關(guān)系</p><p><b>　　表格 4.1.1</b></p><p>　　4.2 低通濾波電路的設(shè)計(jì)</p><p>　　二階巴特沃斯低通濾波器電路：有兩個(gè)RC濾波電路和同向比例放大電路組成，其特點(diǎn)是輸入阻抗高，輸出阻抗低。&l

24、t;/p><p><b>　　參數(shù)的設(shè)置</b></p><p>　　1)、選擇電容的容量，計(jì)算電阻的阻值</p><p>　　電阻一般應(yīng)在一百千歐姆以?xún)?nèi)，電容應(yīng)在微法數(shù)量級(jí)一下。故選擇C1=C2=47nF</p><p>　　則根據(jù) ω=2π/T=2πf H </p><p>　　ω=1/(R1*R

25、2*C1*C2 ) </p><p>　　f H= 3000HZ</p><p>　　得R1*R2=1/ω(c1*C2)=1/2πf(C1*C2)</p><p>　　可計(jì)算出：R1=0.8K R2=3K</p><p>　　由表格1可知，二階電路的增益為2.239</p><p>　　設(shè)反饋電阻R3=10K，由Av

26、=1+R3/R4得：</p><p>　　R4=R3/（Av-1）=4.5K</p><p>　　2)、低通濾波電路原理圖設(shè)計(jì)</p><p>　　由計(jì)算的參數(shù)可得二階低通濾波電路原理圖如下：</p><p>　　4.3 高通濾波電路的設(shè)計(jì)</p><p><b>　　參數(shù)的設(shè)置</b></

27、p><p>　　1)、選擇電容的容量，計(jì)算電阻的阻值</p><p>　　電阻一般應(yīng)在一百千歐姆以?xún)?nèi)，電容應(yīng)在微法數(shù)量級(jí)一下。故選擇C3=C4=47nF</p><p>　　則根據(jù) ω=2π/T=2πf L</p><p>　　ω=1/(R5*R6*C3*C24) </p><p>　　f L= 3000HZ</p&

28、gt;<p>　　得R5*R6=1/ω(c1*C2)=1/2πf(C1*C2)</p><p>　　可計(jì)算出：R5=4.5K R6=8.7K</p><p>　　由表格1可知，二階電路的增益為2.239</p><p>　　設(shè)反饋電阻R7=10K，由Av=1+R3/R4得：</p><p>　　R8=R3/（Av-1）=4.5

29、K</p><p>　　2)、高通通濾波電路原理圖設(shè)計(jì)</p><p>　　由計(jì)算的參數(shù)可得二階低通濾波電路原理圖如下：</p><p><b>　　4.4放大器的設(shè)計(jì)</b></p><p>　　由4.1節(jié)、4.2節(jié)可知Avf=2.239*2.239=5.07</p><p>　　所以放大器的增

30、益Av=A/Avf=10/5.07=2</p><p>　　設(shè)反饋電阻R9=10K</p><p>　　可求得R10=10K</p><p>　　由所求參數(shù)得放大電路的原理圖如下：</p><p>　　4.5組合電路原理圖圖</p><p>　　由圖2.1.1的框圖可得組合電路圖如下：</p><p

31、>　　第五章 器件的選擇</p><p>　　電阻、電容按照計(jì)算結(jié)果進(jìn)行選擇。其中為了方便調(diào)試在制作過(guò)程中將R3、R7、R11、R15改為50 K的電位器。</p><p>　　為了減少運(yùn)放對(duì)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(yùn)放LM324。    LM324內(nèi)含4個(gè)獨(dú)立的高增益、頻率補(bǔ)償?shù)倪\(yùn)算放大器，既可接單電源使用 (

32、3～30 V)，也可接雙電源使用(±1.5～±15 V)，驅(qū)動(dòng)功耗低，可與TTL邏輯電路相容。 </p><p>　　其引腳與功能圖如圖：</p><p>　　第六章 電路的仿真</p><p>　　將已經(jīng)設(shè)計(jì)好的電路用multisim軟件仿真。</p><p><b>　　6.1 仿真電路圖</b>

33、;</p><p>　　6.2 仿真中出現(xiàn)的問(wèn)題</p><p>　　按照理論數(shù)據(jù)對(duì)電路進(jìn)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</p><p>　?。?）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40Db</p><p><b>　　

34、6.3仿真結(jié)果</b></p><p><b>　　經(jīng)仿真后： </b></p><p>　　1）、示波器波形如下</p><p>　　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。</p><p><b>　　2）、波特圖：</

35、b></p><p>　　由波特圖可知300ＨＺ和３ＫHZ基本保持對(duì)稱(chēng)，設(shè)計(jì)基本合理。</p><p><b>　　第七章 組裝與調(diào)試</b></p><p><b>　　7.1組裝</b></p><p>　　1）根據(jù)原理圖準(zhǔn)備好必須的元件</p><p>　　2）根

36、據(jù)原理圖設(shè)計(jì)PCB板，更改不限規(guī)則，使線寬為1mm. 焊盤(pán)直徑為2.1mm，在底層布線</p><p>　　3）對(duì)元件進(jìn)行合理布局并合理布線</p><p>　　4）檢查布線規(guī)則并輸出打印PCB板</p><p>　　5）根據(jù)原理焊接元器件</p><p>　　7.2主要儀器和儀表：數(shù)字萬(wàn)用表、信號(hào)發(fā)生器、示波器、12V直流電源</p&

37、gt;<p>　　7.3調(diào)試電路的方法和技巧</p><p>　　1）將電源的正負(fù)極、數(shù)字信號(hào)發(fā)生器接入端、波形輸出端以及接地在電路板上標(biāo)明清楚，按照電路圖將儀器與電路板正確連接。</p><p>　　2）首先對(duì)增益進(jìn)行調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)過(guò)程中主要調(diào)節(jié)反饋電阻R3、R7、與R9。當(dāng)增益過(guò)大時(shí)使其減小，增益過(guò)大時(shí)使其增大。</p><p>　　3）其次調(diào)節(jié)截止頻

38、率。根據(jù)公式2πf=1/RC得：調(diào)節(jié)方法如表2</p><p><b>　　表7.3.1</b></p><p>　　7.4 測(cè)試的數(shù)據(jù)和波形；</p><p>　　測(cè)試的數(shù)據(jù)：如表7.4.1</p><p><b>　　表7.4.1</b></p><p>　　由數(shù)據(jù)及表格

39、可知低通與高通截止頻率分別為400HZ與2800HZ增益為12基本達(dá)到要求。而截止頻率大約為800Hz與理論值相差較大。</p><p><b>　　衰減系數(shù)的計(jì)算:。</b></p><p>　　高通部分代入數(shù)據(jù)F1=100HZ，F(xiàn)2=500HZ：A1=0.4 、A2=10.3</p><p>　　可求得：K1=40.1dB</p>

40、;<p>　　低通部分代入F1=1700HZ F2=3000HZ A1=12 A2=6.8</p><p><b>　　可求得：K2=20</b></p><p>　　由計(jì)算數(shù)據(jù)可知高通部分增益達(dá)到要求，低通部分增益較低。</p><p>　　7.5 調(diào)試中出現(xiàn)的故障原因及排除方法。</p><p>

41、　　1）第一次做的是四階電路，調(diào)試時(shí)發(fā)現(xiàn)增益過(guò)大以至于波形嚴(yán)重失真，因?yàn)锽CB板中電位器的封裝不正確，所以將板子進(jìn)行重新制作，為了調(diào)節(jié)簡(jiǎn)單將電路圖進(jìn)行了修改電路圖如下</p><p>　　2）第二次進(jìn)行調(diào)試根據(jù)理論值連接電路后發(fā)現(xiàn)增益過(guò)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?。但是增益不能達(dá)到十，經(jīng)多次改變后增益達(dá)到十，而中心頻率變?yōu)榱?00不能滿(mǎn)足要求，最后經(jīng)過(guò)多次調(diào)試發(fā)現(xiàn)二階電

42、路的增益與截止頻率總是不能同時(shí)達(dá)到要求，于是選擇了再嫁一個(gè)放大器，完成了第三塊板子。</p><p>　　3）最后一次調(diào)試時(shí)改變了原理圖中的多個(gè)電阻與電容，最終使得截止頻率與增益達(dá)到了要求而中心頻率略有偏差，在給老師檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)地同步分的截止頻率過(guò)小，后經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)有一個(gè)電阻短路，改正后得到了正確的截止頻率</p><p>　　第八章 設(shè)計(jì)總結(jié)：</p><p>&l

43、t;b>　　電路總結(jié)：</b></p><p>　　本次試驗(yàn)經(jīng)過(guò)兩次方案的改良，我人為對(duì)于最后所肯定的電路的優(yōu)點(diǎn)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(gè)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(huì)改變多個(gè)指標(biāo)的問(wèn)題。而其缺點(diǎn)在于波形不能夠?qū)ΨQ(chēng)，導(dǎo)致了高通與低通衰減的不同、因而難以達(dá)到預(yù)期的中心頻率。</p>

44、<p>　　總結(jié)設(shè)計(jì)電路的特點(diǎn)和方案的優(yōu)缺點(diǎn)，指出課題核心價(jià)值，提出改進(jìn)意見(jiàn)</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)。</b></p><p>　　[1]黃志瑋 全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽教程 電子工業(yè)出版社 2005.8</p><p>　　[2]吳援明 唐軍. 模擬電路分析與設(shè)計(jì)基礎(chǔ)（第二版） 科學(xué)出版社 2007.5<

45、;/p><p>　　[3]康華光 電子技術(shù)基礎(chǔ) （第五版） 高等教育出版社 2005.7</p><p>　　[41]曾興文 劉乃安 陳健 高頻電路原理與分析（第四版）西安電子科技大學(xué)出版社 2006.8</p><p><b>　　附錄 </b></p><p><b>　　附錄一 元件清單</b&g