语音滤波器设计.doc

湖南工学院湖南工学院 课程设计说明书课程设计说明书 课题名称：语音滤波器设计课题名称：语音滤波器设计 学学 院：电气与信息工程学院院：电气与信息工程学院 专业名称：电子信息工程专业名称：电子信息工程 学生班级：电子学生班级：电子 12031203 班班 设设 计计 人：李建喜人：李建喜 学学 号：号：12303403221230340322 指导老师：曹才开指导老师：曹才开 时时 间：间：2014.052014.05 湖南工学院 课程设计任务书 课课 程：程： 模拟电子技术模拟电子技术 课程设计题目：课程设计题目： 语音滤波器的设计语音滤波器的设计 适适 用用 班班 级：级： 电子电子 1203 班班 时时 间：间： 2014.05 指指 导导 教教 师：师： 曹才开曹才开 课题：课题： 语音滤波器的设计语音滤波器的设计 一、一、设计目的设计目的 1、学习有源滤波电路的设计方法； 2、掌握二阶 rc 有源滤波器性能参数的测试技术。 二、二、设计要求和技术指标设计要求和技术指标 1、技术指标： 截止频率，阻带衰减速率为hzfh2000hzfl2004 v a倍频10/40db 2、设计要求 （1） 设计一个能满足要求的二阶有源滤波电路； （2） 要求绘出原理图，并用画出印制板图；protel （3） 根据设计要求和技术指标设计好电路，选好元件及参数； （4） 在万能板或面包板或 pcb 板上安装好电路并调试； （5） 测量滤波器的性能参数：截止频率、带内增益和阻带衰减速 v a 率； （6） 用 ni对电路仿真，并打印出幅频特性和相频特性曲线；multisim （7） 拟定测试方案和设计步骤； （8） 写出设计性报告。 三、三、设计提示设计提示 1、电路可采用一级二阶低通与一级二阶高通滤波电路级联； 2、电路根据二阶滤波器（巴特沃斯响应）设计表设计，采用压控电压源 电路； 3、在测试过程中，若某项指标偏差较大，则应根据设计表调整修改相应 元件的值。 4、设计用仪器设备 （1）数字电压表 （2）面包板或万能板 （3）智能电工实验台 5、参考书： 曹才开，张丹等电路与电子技术试验中南大学出版社 康华光模拟电子技术基础高等教育出版社 6、设计用主要器件 741 两块或 747、电阻电容若干 四、设计报告要求四、设计报告要求 1、选定设计方案； 2、拟出设计步骤，画出电路，分析并计算主要元件参数值； 3、列出测试数据表格。 五、设计总结五、设计总结 1、总结有源滤波器的设计方法和运用到的主要知识点； 2、总结有源滤波器性能参数的测试方法。 语音滤波器 电子电子 1203 李建喜李建喜 摘要：摘要：滤波器是一种选频装置，可以使信号中特定的频率成分通过，而极大地 衰减其它频率成分。在测试装置中，利用滤波器的这种选频作用，可以滤除干 扰噪声或进行频谱分析。 广义地讲，任何一种信息传输的通道（媒质）都可视为是一种滤波器。因 为，任何装置的响应特性都是激励频率的函数，都可用频域函数描述其传输特 性。因此，构成测试系统的任何一个环节，诸如机械系统、电气网络、仪器仪 表甚至连接导线等等，都将在一定频率范围内，按其频域特性，对所通过的信 号进行变换与处理。 本课题所述内容属于模拟滤波范围。主要介绍模拟滤波器原理、种类、数 学模型、主要参数、滤波器设计。尽管数字滤波技术已得到广泛应用，但 模拟滤波在自动检测、自动控制以及电子测量仪器中仍被广泛应用。 关键字关键字：方案选择；参数计算；ewb 仿真；调试；仿真protel voice filter abstractabstract：frequency-selective filter is a device that can make the specific frequency component signal by greatly attenuating the other frequency components. in the test apparatus, the effect of frequency- selective filter that can filter out noise or interference spectrum analysis. broadly speaking, any kind of information transmission channel (medium) can be considered as a filter. because no response characteristics of the device are a function of the excitation frequency, the frequency-domain functions are used to describe the transmission characteristics. therefore, constitute a part of any test system, such as mechanical systems, electrical networks, instrumentation and even connecting wires, etc., will be within a certain frequency range, their frequency domain characteristics of the signals are transformed and processed through. the topic of the content belongs to the analog filter range. introduces the principle of analog filters, types, mathematical model, the main parameters, rc filter design. although digital filtering techniques have been widely used, but the analog filter in the automatic detection, automatic control and electronic measuring instruments are still widely used. keykey words:words: program selection, parameter calculation, ewb simulation, debugging, stel 目录 1 1 绪绪论论- 1 - 1.1 滤波器简介 - 1 - 1.2 本人工作- 2 - 2 2 滤波器的传输函数与性能参数滤波器的传输函数与性能参数- 3 - 21 滤波器的传输性能参数- 3 - 2.2 滤波器的设计方案选择 - 5 - 2.3 原理电路参数计算- 7 - 2.3.1 对低通部分 - 2 - 2.3.2 对高通部分 - 9 - 2.4 原理电路设计选择 - 11 - 3 3 n ni i multisimmultisim 仿真仿真 - 12 - 3.1 ni multisim 软件简介 - 12 - 3.2 nimultisim 仿真参数测试 - 12 - 33 测量数据及分析- 14 - 结束语结束语- 15 - 参考文献参考文献- 16 - 附录 a 电路原理图 - 17 - 附录 b 设计元件及工具清单 - 18 - - 0 - 1 1 绪论绪论 1.11.1 滤波器简介滤波器简介 滤波器是一种对信号有处理作用的器件或电路。随着电子市场的不断 发展滤波器也越来越被广泛生产和使用，滤波器（filter）是指减少或消除谐 波对电力系统影响的电气部件。滤波器是一种用来消除干扰杂讯的器件，将输 入或输出经过滤波而得到纯净的电源。 滤波器主要分为有源滤波器和无源滤波器。主要作用是让有用信号尽可能 无衰减的通过，对无用信号尽可能大的反射。滤波器一般有两个端口，一个输 入信号、一个输出信号，利用这个特性可以选通通过滤波器的一个方波群或复 合噪波，而得到一个特定频率的正弦波。滤波器的功能就是允许某一部分频率 的信号顺利的通过，而另外一部分频率的信号则受到较大的抑制，它实质上是 一个选频电路。 滤波器中，把信号能够通过的频率范围，称为通频带或通带； 反之，信号受到很大衰减或完全被抑制的频率范围称为阻带；通带和阻带之间 的分界频率称为截止频率；滤波器是由电感器和电容器构成的网路，可使混合 的交直流电流分开。电源整流器中，即借助此网路滤净脉动直流中的涟波，而 获得比较纯净的直流输出。 最基本的滤波器，是由一个电容器和一个电感器构成，称为 l 型滤波。所 有各型的滤波器，都是集合 l 型单节滤波器而成。基本单节式滤波器由一个串 联臂及一个并联臂所组成，串联臂为电感器，并联臂为电容器。在电源及声频 电路中之滤波器，最通用者为 l 型及 型两种。就 l 型单节滤波器而言，其电 感抗 xl 与电容抗 xc，对任一频率为一常数，其关系为 xlxc=k2。故 l 型滤波 器又称为 k 常数滤波器。 倘若一滤波器的构成部分，较 k 常数型具有较尖锐的截止频率（即对频率 范围选择性强），而同时对此截止频率以外的其他频率只有较小的衰减率者， 称为 m 常数滤波器。所谓截止频率，亦即与滤波器有尖锐谐振的频率。通带与 带阻滤波器都是 m 常数滤波器，m 为截止频率与被衰减的其他频率之衰减比的 函数。每一 m 常数滤波器的阻抗与 k 常数滤波器之间的关系，均由常数 m 决定， 此常数介于 01 之间。当 m 接近零值时，截止频率的尖锐度增高，但对于截止 频的倍频之衰减率将随着而减小。最合于实用的 m 值为 0.6。至于那一频率需 - 1 - 被截止，可调节共振臂以决定之。m 常数滤波器对截止频率的衰减度，决定于 共振臂的有效 q 值之大小。若达 k 常数及 m 常数滤波器组成级联电路，可获得 尖锐的滤波作用及良好的频率衰减。 1.21.2 本人工作本人工作 （1）了解滤波器的基本电路的性质与基本性能； （2）选定语音滤波器的设计电路及基本元器件的系数及选定； （3）运用仿真软件对设计电路进行仿真测试，并对相关系数进行误差分析，找 出误差原因，并进行改进； - 2 - 2 2 滤波器的传输函数与性能参数滤波器的传输函数与性能参数 2 21 1 滤波器的传输性能参数滤波器的传输性能参数 由 rc 元件与运算放大器组成的滤波器称为 rc 有源滤波器。其功能是让一 定频率范围内的信号通过，抑制或急剧衰减此频率范围以外的信号。可用在信 息处理、数据传输、抑制干扰等方面，但因受运算放大器频带限制，这类滤波 器主要用于低频范围。根据对频率范围的选择的不同，可分为低通、高通、帯 通与带阻等四种滤波器，它们的幅频特性如图 1 所示。 . 图 1 滤波器的幅频特性 （a）低通， （b）高通， （c）带通， （d）带阻。 一般来说，滤波器的幅频特性越好，其相频特性越差，反之亦然。滤波器 的阶数 n 越高，幅频特性衰减的速率越快，但 rc 节数越多，元件参数计算越繁 琐，电路调试越困难。常用的逼近方法是巴特沃斯最大平坦效应和切比雪夫等 波动响应（如图 2） 。表 1 列出了二阶 rc 有源滤波器的传输函数,它们的幅频特 性如图 2 所示. - 3 - 图 2 巴特沃斯响应与切比雪夫响应比较 （a）巴特沃斯幅频特性（b）巴特沃斯相频特性 （c）切比雪夫幅频特性（d）切比雪夫相频特性 表 1 二阶 rc 滤波器的传输特性 类 型传输函数性能参数 低 通 22 2 )( c c cv s q s a sa 高 通 22 2 )( c c v s q s sa sa 带 通 22 )( o o v s q s s q a sa 带 阻 22 22 )( )( o o ov s s q s sa a av通带内的电压增益 wc低、高通滤波器的中心角频 q品质因素， f f bw q o 0 （当 bw10（） ，输入端到地要 有一直流通路。 在c处，运放的开环增益至少应是滤波 器增益的 50 倍。 有倒相作用，输出阻抗低。 运放的10（r3+r1/r2）,输入端到地的 直流通路已由 r2和 r3完成。 同相端可接电阻 rp，减小失调。 - 7 - (1)由表 2 得到二阶压控电压源低通滤波器的电路,如图 6 所表示. (2)由图 5 得,f=2000hz 时,取 c=0.01uf,对应的参数 k=5,满足 k=. 100 fcc (3)从表 2 中得，av=2 时，电容 c1=c=0.01uf；k=1 时，电阻 r1=1.126k，r2=2.250k,r3=6.752k,r4=6.752k。 (4)将上述电阻值乘以参数 k=5,得 r1=5.63k 取标称值 5.6k+30 r2=11.25k 取标称值 11k+240 r3=r4=33.75k 取标称值 33k+750 图 6 截止频率电容 c 及参数的对应关系cf - 8 - (a)截止频率(1-102) （b）截止频率(102-104) (c)截止频率（104-106）cfcfcf 图 7 二阶压控电压源低通滤波器的电路 2.3.2 对高通部分 (1)由表 3 得到二阶压控电压源高通滤波器电路,如图 7 所示. (2)由图 5 得到=200hz 时,c=0.1uf,对应的参数 k=5,满足 k=.cf 100 fcc (3)由表 3 中得到,av=2 时,r1=1.821k,r2=1.391k,r3=r4=2.782k (4)将上述电阻都乘以参数 k=5,得 r1=9.105k 取标称值 9.1k+5 r2=6.955k 取标称值 6.9k+55 r3=r4=13.91k 取标称值 13k+910 - 9 - 表 8 二阶高通滤波器（巴特沃响应）设计 压控电压源（vcvs）电路无限增益多路反馈（mfb）电路 电路形 式 121 2 1 ccrr c 12 2 1 1 ccrr c cr a crq v c 212 2 )1 ( 1 )2( 1 1 12 cc ccrq c 性能参数 3 4 1 r r av 1c c av 电路元件值电路元件值 增益1268增益1268 r11.1251.8213.1413.593r10.7500.9001.0231.072 r22.2511.3910.8050.705r23.3765.62712.37923.634 r3开路2.7820.9680.806c1c0. 5c0.2c0.1c r402.7824.8385.640 设计表 电阻为参数 k=1 时的值，单位为 k。 电阻为参数 k=1 时的值，单位为 k。 应用说明 要求运放 r1大于 10r， r3r4的选取要考虑对失调的影响， 在 wc处，运放的开环增益 av0至少 是滤波器增益的 50 倍。 同相端接等于 r2的电阻可减小失调，微 调 c 或 c!对 av实现调整。 - 10 - 图 9 二阶压控电压源高通滤波器电路 2.4 原理电路设计选择 将图 6 和图 7 级联得到设计所要求的带通滤波器电路，如图 10 所示. 图 10 二阶压控电压源带通滤波器电路 - 11 - 3 3仿真仿真nimultisim 3.1 软件简介nimultisim 软件是一个专门用于电子电路仿真与设计的eda 工具软nimultisim 件。作为 windows 下运行的个人桌面电子设计工具 , 是一个nimultisim 完整的集成化设计环境。计算机仿真与虚拟仪器技术可以很好nimultisim 地解决理论教学与实际动手实验相脱节的这一问题。学员可以很方便地把刚 刚学到的理论知识用计算机仿真真实的再现出来，并且可以用虚拟仪器技术 创造出真正属于自己的仪表。软件绝对是电子学教学的首选软nimultisim 件工具。 3.2仿真参数测试nimultisim 通过进行实验调整、测量滤波器的性能参数及幅频特性得到下面multisim 的图。 图 11 输入函数信号 图 12 波特图像 - 12 - 图 13 输入波形和与输出波形 图 14 波特分析表一 图 15 波特分析表二 - 13 - 33 测量数据及分析： 截止频率截止频率 lfef 测量值210hz2khz 理论值 200hz2khz 幅频特性幅频特性 输入信号200hz640hz1khz2khz 测量值2.934.013.892.85 理论值4.004.004.004.00 衰减速率衰减速率 低频高频 测量值 倍频 27.5 db 10 倍频 29.4db 10 理论值 倍频 40 db 10 倍频 40 db 10 综上所示，当 fc1.5khz 时，av3.7，衰减速率为倍频。基本满足 36.8db 10 设计指标的要求。由于、对 wc 的影响较大、人为因数以及系统误差， r r ac c a 所以实验参数与设计表中的关系式之间存在较大误差。 结束语结束语 - 14 - 时间对于真正使用它的人来说就如流水一般消失的很快，通过这将近一 个月的努力，我已经可以成功的在电脑上模拟出语音滤波器的工作原理了。 在这将近一个月中，我从实践中获得了许多知识，获得了许多课本上得不到 的知识。 学习模电课程设计这段时间也是我们一学期最忙的日子，不仅面临着期 末考试，而且中间还有一些其他科目的实验，这样庞大的任务对我们来说， 显得很重。相关知识缺乏给学习带来很大困难，为了尽快掌握它的用法，我 照着原理图学习视频一步一步做，终于我在一步一步的实践中获得了正确模 拟的方法。 刚开始我借来了一份语音滤波器器的电路原理图，但离实际应用差距相 去甚远，有些器件很难找到，后来到网上搜索了一下相关内容，顺便到学校 图书馆借相关书籍，经过不断比较与讨论，最终敲定了语音滤波器的电路原 理图，并且询问了组员的相关设计的情况 ，为解下来的模拟仿真奠定了坚实 的基础。 此次模拟电子技术课程设计，让我懂得了实践的重要性。即使课本知识掌 握的很好，如果不会综合运用，也是一些支离破碎的无用的知识，而如果能够 运用而实际动手能力很差，理论与实践结合不起来，学得再好也没用。这次课 程设计恰好是将课本知识与的巩固与综合运用结合起来，再加上实际动手能力 的培养三者结合起来的。一方面，它加深与巩固了所学的各章节的理论，并将 其综合运用，提高了我们综合运用知识的能力；另一方面，培养了我们对专业 知识学习的兴趣。 课程设计中出现了很多问题。比如说设计原理图时，必须懂得语音滤波器 的工作原理。电路设计过程及参数确定比较烦琐，我在模拟电路时遇到了很多 困难，特别是连接好了电路图，而波特仪总是不显示图形，这对我