課設論文—語音濾波器的設計

1、<p>　　編號： </p><p>　　課程設計（論文）說明書</p><p>　　課 題： 語音濾波器的設計 </p><p>　　學 院： </p><p>　　專 業(yè)： </p><p>　　學生姓名：

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

3、控制部分，利用RC電路，通過軟件技術的設計和硬件的制作，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、負載效應小，既其輸出響應基本與他的負載無關。其缺點為：1、元件的帶寬有限，限制了他的應用只能在音頻范圍內(nèi)；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

4、。</p><p><b>　　關鍵字：</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 濾波器簡介…………………………………………………………………………… 5</p><p>　　1.2 巴特沃斯響應………………………………………………………………………… 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 設計要求……………………………………………………………………………… 6 </p><p>　　3 方案的選擇與電路的設計……………………………………………………… 6 </p><p>

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

8、與增益G之關系……………………………………… 7 </p><p>　　4.2 低通濾波器的設計……………………………………………………………………… 8</p><p>　　4.3 高通濾波器的設計………………………………………………………………………… 9</p><p>　　4.4 放大器的設計………………………………………………………………………

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)的問題……………………………………………………………………………13</p><p>　　6.3 仿真結果…………………………………………………………………………………… 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 設計總結 ………………………………………………………………………………… 17</p><p>　　

13、參考文獻……………………………………………………………………………………………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 實際調(diào)試波形……………………………………………………. …………………… 19</p><p><b>　　1 引言</b></p><p>　

15、　1．1 濾波器簡介</p><p>　　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。 </p><p>　　1.2 巴特沃斯響應 </p><p>　　巴特沃斯響應能夠最大化濾波器的通帶平坦度。該響應非常平坦，非常接近DC信號，然后慢慢衰

16、減至截止頻率點為-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用，其對于維護增益的平坦性來說非常重要。</p><p>　　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。當使用在音頻應用時,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

17、許多不同的形式，其中包括電子線路（如音頻設備中使用的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域如金融領域中移動平均數(shù)（moving average)所起的作用；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。</p><p>　　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

18、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該去的單元。</p><p><b>　　1.5 帶通濾波器</b></p><p>　　一個理想的濾波器應該有一個完全平坦的通帶，例如在通帶內(nèi)沒有增益或者衰減，并且在通帶之外

19、所有頻率都被完全衰減掉，另外，通帶外的轉換在極小的頻率范圍完成。實際上，并不存在理想的帶通濾波器。濾波器并不能夠將期望頻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被衰減但是沒有被隔離的范圍。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，濾波器的設計盡量保證滾降范圍越窄越好，這樣濾波器的性能就與設計更加接近。然而，隨著滾降范圍越來越小，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

20、其明顯。</p><p><b>　　2 設計要求</b></p><p><b>　　設計一個音頻濾波器</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 方案設計</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、波電路的幅頻響應與高通、低通濾波電路的比較可知帶通應由低通與高通級聯(lián)而成。</p><p>　　3.2設計方案的選擇</p><p>　　對于每一個放大器當增益大于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：</p><p>　　

23、4 電路原理及參數(shù)設計</p><p>　　4.1巴特沃斯低通、高通電路階數(shù)n與增益G之關系</p><p><b>　　表格 4.1.1</b></p><p>　　4.2 低通濾波電路的設計</p><p>　　二階巴特沃斯低通濾波器電路：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。&l

24、t;/p><p><b>　　參數(shù)的設置</b></p><p>　　1)、選擇電容的容量，計算電阻的阻值</p><p>　　電阻一般應在一百千歐姆以內(nèi)，電容應在微法數(shù)量級一下。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計</p><p>　　由計算的參數(shù)可得二階低通濾波電路原理圖如下：</p><p>　　4.3 高通濾波電路的設計</p><p><b>　　參數(shù)的設置</b></

27、p><p>　　1)、選擇電容的容量，計算電阻的阻值</p><p>　　電阻一般應在一百千歐姆以內(nèi)，電容應在微法數(shù)量級一下。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計</p><p>　　由計算的參數(shù)可得二階低通濾波電路原理圖如下：</p><p><b>　　4.4放大器的設計</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、電容按照計算結果進行選擇。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。</p><p>　　為了減少運放對濾波電路的負載效益，降低功耗與成本，故選用通用型低功耗集成四運放LM324。    LM324內(nèi)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 (

32、3～30 V)，也可接雙電源使用(±1.5～±15 V)，驅動功耗低，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)設計好的電路用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)的問題</p><p>　　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</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基本保持對稱，設計基本合理。</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)原理圖準備好必須的元件</p><p>　　2）根

36、據(jù)原理圖設計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</p><p>　　3）對元件進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)字萬用表、信號發(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）將電源的正負極、數(shù)字信號發(fā)生器接入端、波形輸出端以及接地在電路板上標明清楚，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R9。當增益過大時使其減小，增益過大時使其增大。</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 測試的數(shù)據(jù)和波形；</p><p>　　測試的數(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。</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)試時發(fā)現(xiàn)增益過大以至于波形嚴重失真，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</p><p>　　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

42、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。</p><p>　　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</p><p>　　第八章 設計總結：</p><p>&l

43、t;b>　　電路總結：</b></p><p>　　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雜。又避免了低階電路的一次調(diào)節(jié)會改變多個指標的問題。而其缺點在于波形不能夠對稱，導致了高通與低通衰減的不同、因而難以達到預期的中心頻率。</p>

44、<p>　　總結設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</p><p><b>　　參考文獻。</b></p><p>　　[1]黃志瑋 全國大學生電子設計競賽教程 電子工業(yè)出版社 2005.8</p><p>　　[2]吳援明 唐軍. 模擬電路分析與設計基礎（第二版） 科學出版社 2007.5<

45、;/p><p>　　[3]康華光 電子技術基礎 （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）西安電子科技大學出版社 2006.8</p><p><b>　　附錄 </b></p><p><b>　　附錄一 元件清單</b&g