模電語音濾波器設(shè)計

1、模擬電路課程設(shè)計報告設(shè)計課題 語音濾波器的設(shè)計專業(yè)班級： 電子科學(xué)與技術(shù)1201學(xué)生姓名： 學(xué)號： 120803039指導(dǎo)教師： 設(shè)計時間：目錄第一章 概述 1.1濾波器的功能和類型 1.2濾波器的主要特性指標第二章 實驗?zāi)康牡谌?方案設(shè)計與論證 3.1總體分析 3.2方案一 3.3方案二 3.4論證第四章 單元電路設(shè)計與參數(shù)計算 4.1元器件參數(shù)選取 4.2電路圖設(shè)計第五章 總原理圖及元器件清單 5.1總原理圖 5.2元器件清單第六章 參數(shù)公式第七章 仿真測試與性能分析第八章 結(jié)論第九章 參考文獻第一章 概述1.1濾波器的功能和類型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，而另

2、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。從功能上分，濾波器分為低通、帶通、高通、帶阻等。功能：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。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有源濾波器按傳遞函數(shù)的微分方程階數(shù)分：一階、二階、高階1.2濾波器的主要特性

3、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。增益與衰耗濾波器在通帶內(nèi)的增益并非常數(shù)。對低通濾波器通帶增益Kp一般指w=0時的增益；高通指w時的增益；帶通則指中心頻率處的增益。對帶阻濾波器，應(yīng)給出阻帶衰耗，衰耗定義為增益的

4、倒數(shù)。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。 阻尼系數(shù)與品質(zhì)因數(shù) 阻尼系數(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。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。 第二章 實驗?zāi)康?、掌握系統(tǒng)各功能模塊的基本原理；2、培養(yǎng)基本掌握電路設(shè)計的基本思路和方法；3、提高學(xué)生對所學(xué)理論的知識的理解能力；4、提高和掘?qū)W生對所學(xué)知識的實際應(yīng)用能力；5、提高學(xué)生的科技學(xué)做論文能力

5、。第三章 方案設(shè)計與論證3.1總體分析語音濾波器是屬于有源濾波器，有源濾波器實際上是一種具有特定頻率響應(yīng)的放大器。它是在運算放大器的基礎(chǔ)上增加一些R、C等無源元件而構(gòu)成的，主要由兩部分電路組成，帶通濾波和帶阻濾波，帶通濾波器用來通過語音信號，頻帶為20Hz到20KHz，再經(jīng)過帶阻濾波器濾去50Hz的工頻干擾信號，并最終達到語音濾波的目的。在此，有兩種設(shè)計方案：一種是壓控電壓源電路設(shè)計，另一種是用無限增益多路反饋電路設(shè)計，下面分別具體介紹兩種方案。3.2方案一：壓控電壓源電路原理有源帶通濾波器（BPF）和帶阻濾波器（BEF）帶通濾波器是由低通RC環(huán)節(jié)和高通RC環(huán)節(jié)組合而成的。要將高通的下限截止頻

6、率設(shè)置的小于低通的上限截止頻率。反之則為帶阻濾波器。 圖1壓控型二階低通 圖2壓控型二階低通幅頻特性傳遞函數(shù)：=上式中只有當(dāng)Aup（s）小于3時，即分母中s的一次項系數(shù)大于零，電路才能穩(wěn)定工作，而不產(chǎn)生自激振蕩。若令s=jw,f0=1/2rc,則電壓放大倍數(shù)： 若令Q=，則f=fo時，有當(dāng)23時，圖2所示是Q值不同時的幅頻特性，當(dāng)ffp時，曲線按-40dB/十倍頻下降。 圖3二階壓控型高通 圖4 二階壓控型高通幅頻特性傳遞函數(shù)：=*（sRC）2通帶放大倍數(shù)：Aup=1+Rf/R1；截止頻率：fp=1/2RC；品質(zhì)因數(shù)：Q=根據(jù)設(shè)計要求要組成壓控電壓源帶通濾波器，則選擇上圖中的低通濾波器和高通濾

7、波器級聯(lián)即可。3.3方案二：無限增益多路反饋電路原理無限增益多路反饋有源濾波器一般形式要求集成運放的開環(huán)增益大于60dB圖5壓控二階高通 圖6無限增益多路反饋二階高通傳遞函數(shù)：通帶放大倍數(shù)： ；截止頻率：fp=1/2；品質(zhì)因數(shù)： 圖7無限增益多路反饋二階低通濾波器在圖7中，當(dāng)f=0時，C1和C2均開路，故通帶放大倍數(shù)： Aup=-Rf/R1傳遞函數(shù)：可得：fo=1/2，Q=（R1/R2/Rf）3.4論證壓控電壓源（VCVS）電路，其中運放為同相輸入，輸入阻抗很高，輸出阻抗很低，電路性能穩(wěn)定，增益容易調(diào)節(jié)。無限增益多路反饋（MFB）電路，有倒相作用，使用元件較少，但增益調(diào)節(jié)對其性能參數(shù)會有影響。

8、根據(jù)以上分析，本實驗選擇方案一。第四章 單元電路設(shè)計與參數(shù)計算4.1元器件參數(shù)選?。阂x擇一種集成運放，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：參數(shù)值為R1=5.63K,R2=11.25K,R3= R4=33.76K,由設(shè)計表上給出的計算公式得出C=C1=0.01uF（k=100/fc*c），在本設(shè)計中K=5。對于高通部分：參數(shù)值為R5=9.105K,R6=6.955K, R7= R8=13.91K，由設(shè)計表上給出的計算公式得出C1=C3=0.1uF（k=100/fc*c），在本設(shè)計中K=5 。4.2電路圖設(shè)計（1）原理圖如下

9、：二階低通有源濾波電路二階高通有源濾波電路（2）工作原理：利用高通和低通級聯(lián)來組成一個帶通。（3）數(shù)據(jù)處理：輸入電壓為Vo=1v。F(Hz)100150200300400500Vo(v)1.01.42.23.02.93.1f(Hz)60010001500200030005000Vo(v)3.03.13.23.02.01.0由上表數(shù)據(jù)可知該帶通濾波器的通頻帶為200Hz3KHz，與規(guī)定的通頻帶有些出入，只是因為元件選取、參數(shù)測試等過程中產(chǎn)生了誤差。下面進行計算：電壓放大倍數(shù)Au：Au=3，通帶放大倍數(shù)Aup： 因為Au=Aup/3-Aup，所以Aup=2.45品質(zhì)因數(shù)Q：Q=1/3-Aup，所以

10、Q=1.8第五章 總原理圖及元器件清單5.1圖三為總原理圖：5.2元器件清單：元件序號型號主要參數(shù)數(shù)量備注A1 A2Ua7412運算放大器R15.6k1電阻R211 k1電阻R3， R433 k2電阻R59.1 k1電阻R66.8 k1電阻R7,R813 k2電阻C,C10.01F2電容C20.1F2電容第六章 參考公式fH=2000Hz fl=200Hz f=1/T=2/T=2f =1/RC R=1/cAv=A1A2=4K=100/fcC（數(shù)據(jù)主要是查表得來的）第七章 仿真測試與性能分析第一仿真測試失敗，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

11、論上講是可以的?？梢砸种频陀?00赫茲以下和高于2000赫茲以上的頻率。仿真電路圖幅頻：200Hz時：1000Hz時2000Hz時：相頻特性：200Hz1000Hz2000Hz：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 參考文獻1、電工電子實踐指導(dǎo)（第三版），王港元主編，江西