語音濾波器課程設(shè)計 -王凱.doc

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：通信1103 學(xué)生姓名：王凱 學(xué)生學(xué)號:11401340336 指導(dǎo)教師：雷美艷 設(shè)計時間:2013。6。12013.6.28 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1、技術(shù)指標：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

2、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)計擴展要求 （1)能對信號進行頻譜分析和失真分析； （2）能對失真度進行測量.（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）智能電工實驗臺5、參考書:電子線路設(shè)計·實驗

3、·測試華中科技大學(xué)出版社 模擬電子技術(shù)基礎(chǔ) 康華光主編 高等教育出版社 模擬電子技術(shù)胡宴如主編 高等教育出版社 6、設(shè)計用主要器件741兩塊、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)計方法和運用到的主要知識點； 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 7第二章 實驗?zāi)康?8第三章 濾波器設(shè)計方案與論證83.1第一步確定設(shè)計思路83.2第二步確定設(shè)計方案

4、9第四章 單元電路設(shè)計與參數(shù)計算124。1元器件參數(shù)選取124.2電路圖設(shè)計13第五章 總原理圖及元器件清單 145.1總原理圖 145。2元器件清單 14第六章 參數(shù)公式 15第七章 仿真測試結(jié)果及數(shù)據(jù)分析16第八章 結(jié) 論19第九章 心得體會19第十章 參考文獻 20附錄 21第一章 概 述1.1濾波器的功能和類型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（

5、wwc)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(nèi)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(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。濾波器在近代電信設(shè)備和各類控制系統(tǒng)中應(yīng)用極為廣泛。 濾波器按功能可分為：低通、帶通、高通、帶阻等。功能：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。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，

6、RC電路中又有壓控電壓源電路和無限增益多路反饋電路；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)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。對于任意復(fù)雜的濾波網(wǎng)絡(luò)，均可分解為若干簡單的一階與二階濾波電路級聯(lián)構(gòu)成。因為任意個線性網(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。 表1.2。1 二階RC濾波器的傳輸函數(shù)類型傳輸函數(shù)性能參數(shù) 低通 Q-等效品質(zhì)因數(shù)電壓增益-低、高通濾波器的截止角頻率-帶阻塞、帶阻濾波器的中心角頻率BW帶通、帶阻濾波器的帶寬 高通  帶通&#

7、160;帶阻模擬濾波器的頻率特性模擬濾波器的傳遞函數(shù)H(s)表達了濾波器的輸入與輸出間的傳遞關(guān)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。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。 Av0707AvfcAvAv （a） (b）fcAv0。707Av(c)圖1.2。2 濾波器的幅頻特性曲線（a）高通 （b)帶通 （c）低通一般來說，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(diào)試越困難.常

8、用的逼近方法是巴特沃斯最大平坦效應(yīng)和切比夫雪等波動效應(yīng)1。3濾波器的主要特性指標特征頻率：通帶截頻fp=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。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。轉(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,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。這次我們小組設(shè)計的2002000Hz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

9、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的信號第二章 實驗?zāi)康恼莆障到y(tǒng)各功能模塊的基本原理；熟悉電路設(shè)計的基本方法；鍛煉學(xué)生理論與實踐應(yīng)用能力；培養(yǎng)對儀器的基本設(shè)計和說明書編寫能力；提高團隊協(xié)作能力；第三章 濾波器方案設(shè)計與論證3.1第一步確定設(shè)計思路考慮到實用性，帶負載能力要比較強，要滿足輸入阻抗應(yīng)足夠高,輸出阻抗應(yīng)夠小。根據(jù)設(shè)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

10、兩部分電路元件參數(shù),Av放大倍數(shù)也分成兩部分Avl，Avh，Av即兩部分相乘, Av=4，我們在設(shè)計電路時應(yīng)先計算好電阻，電容值。 圖3。1。1 帶通濾波器設(shè)計原理帶通濾波器高通濾波器低通濾波器圖3。1.2 系統(tǒng)框圖3。2第二步確定設(shè)計方案 二階低通濾波器由濾波器的指標要求可知，帶通范圍是200Hz2000Hz,所以所設(shè)計的低通濾波器的截止頻率為2000Hz。表3。2.1 濾波器工作頻率與電容取值的對應(yīng)表f(H) 101001001k(110）k（10100）kC（uF)100。10。10。010。010。0010。0010.0001 電路根據(jù)二階濾波器（巴特沃斯響應(yīng)）設(shè)計表設(shè)計，如下表3。2

11、.2注：設(shè)計表的公式：K=(如帶通、帶組K=100/f0C）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(diào)，所以本次電路設(shè)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。二階高通濾波器由濾波器的指標要求可知，帶通范圍是200Hz2000Hz，所以所設(shè)計的高通濾波器的低邊截止角頻率為200Hz。表3.2.3 二階高通濾波器（巴特沃斯）設(shè)計表根據(jù)要求及設(shè)計表設(shè)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)。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)選取:要選擇一種集成運

12、放，首先要考慮到它的通頻帶是否滿足本設(shè)計的要求。uA741作為通用運放，能滿足要求，部分參數(shù)如下：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：K值大小K=1K=5R11.126K5.63KR22。250K11.25KR36。752K33.76KR46.752K33.76K參數(shù)值為R1=5。63K,R2=11.25K,R3= R4=33.76K 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.K值大小K=1K=5R51

13、。0821K9.105KR61。0391K6.955KR72.782K13。91KR82。78213.91K從圖3。2.3中可以查出Av=2時對應(yīng)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。4.2電路圖設(shè)計 工作原理：利用高通和低通級聯(lián)來組成一個帶通。圖4.2。1為二階有源低通濾波電路:：圖4.2。2為二階有源高通濾波電路：第五章 總原理圖及元器件清單5.1總原理圖 圖5.1.1總原理圖5.2元器件清單：元件序號型號設(shè)計參數(shù)標稱值誤差數(shù)量備注A1 A2Ua7412運算放大器R15。63 k5.6k0。031電阻R21

14、1。25 k11 k0。251電阻R3， R433.76 k33k0.761,1電阻R59。105 k9。1 k0。0051電阻R66。955 k6。8 k0.1551電阻R7，R813。91 k13k0.911電阻C，C10.01F0.01F0.01，1電容C20.1F0.1F0。02電容第六章 參考公式經(jīng)查表的下列公式：低通：Wc2=1/（R1×R2×C1×C）=157。88×106 AVL=1+R4/R3=2 f=wc/2=2000Hz高通： Wc2=1/（R5×R6×C22） =1.579×106 AVH=1+R8/

15、R7=2 f=wc/2=200HzfH=2000Hz fl=200Hz f=1/T=2/T=2f =1/RC R=1/cAv=A1A2=4K=100/fcC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,但因受運算放大器的頻帶限制，這類濾波器主要用于低頻。仿真：1仿真電路圖:幅頻：200hz時：1000hz時：2000hz時：相頻特性:200hz：1000hz:2000hz：2.誤差分析1）對誤差分析要做到精確，全面。2)本設(shè)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(shè)計方法本身存在誤差電

16、路結(jié)構(gòu)AVfHfL理論值實測值誤差誤差率理論值實測值誤差誤差率理論值實測值誤差誤差率帶通4200Hz 2.57 1。4335%2000Hz1978Hz221.1%200Hz191。6Hz8.44。22KHz 2。921。0827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現(xiàn)了設(shè)計要求，截止頻率

17、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.第九章 心得體會通過對理論的研究，設(shè)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來應(yīng)對課程設(shè)計是很困難的,我們小組收集到很多很多的資料,從設(shè)計原理到設(shè)計過程、思路都給我們很大的幫助，同時也加深了對理論知識的理解,尤其是低通與高通濾波電路增進了理解。這次設(shè)計，根據(jù)課題的技術(shù)指標，在進行了數(shù)據(jù)計算，基本上完成了設(shè)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(shè)計任務(wù),總的來說是基本上實現(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，提高了我們

18、綜合運用知識的能力以及分析問題、解決問題的能力，更加強了團隊之間的合作精神。培養(yǎng)我們對專業(yè)知識的興趣，這次基本上達到了課程設(shè)計的目的。我也明白理論和實際是不同的兩個環(huán)節(jié)，就比如,設(shè)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(diào)試,調(diào)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(jié)合的設(shè)計中，我收益匪淺。第十章 參考文獻電子技術(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