语音滤波器的设计方案.doc

语音滤波器的设计方案初始条件：电子技术基础知识、电子技术实验室，运算放大器，电阻，电容万能板要求完成的主要任务:1、技术指标：截止频率，fL=300Hz,fH=3000Hz,Av=10,阻带衰减速率为-40dB/十倍频。2、工作内容（1） 设计一个能满足要求的二阶有源滤波电路；（2） 要求用Multisim绘出原理图；（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Av和阻带衰减速率；（6） 用Multisim对电路仿真，并打印出幅频特性和相频特性曲线；（7） 拟定测试方案和设计步骤；（8） 写出设计性报告。时间安排：第14周理论讲解，时间：礼拜一5，6节 地点：鉴四607第14-20周理论设计、实验室安装调试，地点：鉴主13楼通信工程综合实验室、鉴主15楼通信工程实验室（1）序号阶段内容所需时间1选题，原理方案设计2天2电路原理图、印刷版图设计、电路的仿真、实物制作3天3撰写报告1天4答辩1天合计7天指导教师签名： 2011年 月 日系主任（或责任教师）签名： 2011年 月 日目录摘要1Abstract11.概述11.1.滤波器的功能和类型11.2.模拟滤波器的传递函数与频率特性21.3.滤波器的主要特性指标32.方案设计与论证52.1.第一步确定设计思路52.2.第二步确定设计方案52.3.论证：83.元器件参数选取93.1.元器件参数选取:94.电路图设计及仿真104.1.低通电路设计及仿真104.2.高通电路设计及仿真114.3.总体电路设计125.实物制作145.1.准备元件145.2.焊接145.3.调试结果146.心得体会15元件清单16参考文献173摘要语音滤波器是属于有源滤波器，有源滤波器实际上是一种具有特定频率响应的放大器。它是在运算放大器的基础上增加一些R、C等无源元件而构成的。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. 因受运算放大器带宽限制,这类滤波器仅适用于低频范围.关键词：有源滤波器 运算放大器 高通滤波 AbstractVoice filters are active filters, active filter is actually a frequency response with a specific amplifier. It is based on the op amp to add some R, C, etc. consisting of passive components.Its function is to allow some Information cross,the information what do not fit can not cross.Keywords: Active Filters Operational Amplifier High-pass filter11. 概述1.1. 滤波器的功能和类型由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. 因受运算放大器带宽限制,这类滤波器仅适用于低频范围.按照滤波电路的工作频带为其命名,分为低通滤波器.高通滤波器.带通滤波器和带阻滤波器和全通滤波器. 通带和阻带间的分界频率称截止频率。理论上，在通带内电压增益为常数，阻带内的电压增益为零；实际上，通带和阻带间存在一定频率范围的过渡带。功能：滤波器是具有频率选择作用的电路或运算处理系统，具有滤除噪声和分离各种不同信号的功能。类型：按处理信号形式分：模拟滤波器和数字滤波器按功能分：低通、高通、带通、带阻按电路组成分：LC无源、RC无源、由特殊元件构成的无源滤波器、RC有源滤波器按传递函数的微分方程阶数分：一阶、二阶、高阶1.2. 模拟滤波器的传递函数与频率特性模拟滤波器的传递函数模拟滤波电路的特性可由传递函数来描述。传递函数是输出与输入信号电压或电流拉氏变换之比。理想滤波器通式： （mn） （1-1）二阶滤波器通式：低通滤波器 （1-2）高通滤波器 （1-3）带通滤波器 （1-4）带阻滤波器 （1-5）经分析，任意个互相隔离的线性网络级联后，总的传递函数等于各网络传递函数的乘积。这样，任何复杂的滤波网络，可由若干简单的一阶与二阶滤波电路级联构成。 模拟滤波器的频率特性模拟滤波器的传递函数H(s)表达了滤波器的输入与输出间的传递关系。若滤波器的输入信号Ui是角频率为w的单位信号，滤波器的输出Uo(jw)=H(jw)表达了在单位信号输入情况下的输出信号随频率变化的关系，称为滤波器的频率特性函数，简称频率特性。频率特性H(jw)是一个复函数，其幅值A(w)称为幅频特性，其幅角(w)表示输出信号的相位相对于输入信号相位的变化，称为相频特性。 1.3. 滤波器的主要特性指标特征频率：通带截频fp=wp/(2p)为通带与过渡带边界点的频率，在该点信号增益下降到一个人为规定的下限。阻带截频fr=wr/(2p)为阻带与过渡带边界点的频率，在该点信号衰耗(增益的倒数)下降到一人为规定的下限。转折频率fc=wc/(2p)为信号功率衰减到1/2(约3dB)时的频率，在很多情况下，常以fc作为通带或阻带截频。固有频率f0=w0/(2p)为电路没有损耗时，滤波器的谐振频率，复杂电路往往有多个固有频率。增益与衰耗滤波器在通带内的增益并非常数。对低通滤波器通带增益Kp一般指w=0时的增益；高通指w时的增益；带通则指中心频率处的增益。对带阻滤波器，应给出阻带衰耗，衰耗定义为增益的倒数。通带增益变化量Kp指通带内各点增益的最大变化量，如果Kp以dB为单位，则指增益dB值的变化量。 阻尼系数与品质因数阻尼系数是表征滤波器对角频率为w0信号的阻尼作用，是滤波器中表示能量衰耗的一项指标。阻尼系数的倒数称为品质因数，是评价带通与带阻滤波器频率选择特性的一个重要指标，Q= w0/w。式中的w为带通或带阻滤波器的3dB带宽， w0为中心频率，在很多情况下中心频率与固有频率相等。 群时延函数当滤波器幅频特性满足设计要求时，为保证输出信号失真度不超过允许范围，对其相频特性(w)也应提出一定要求。在滤波器设计中，常用群时延函数d(w)/dw评价信号经滤波后相位失真程度。群时延函数d(w)/dw越接近常数，信号相位失真越小。我设计的3003000赫兹语音滤波器（二阶有源带通滤波器）由一级二阶低通滤波电路和一级二阶高通滤波电路串联组成。可以构成带通滤波电路，条件是低通滤波器的截止角频率Wh大于高通滤波电路的截止角频率Wl。它能抑制低于300以下和高于3000的信号。2. 方案设计与论证2.1. 第一步确定设计思路 考虑到实用性，带负载能力要比较强，要满足输入阻抗应足够高，输出阻抗应够小；要满足阻带衰减频率-40db/10倍频程，有两种考虑方案：一种是用一阶滤波器进行级联，另一种直接采用二阶滤波器。本实验中采用第二种。考虑到电路的稳定性及增益AV=10，应采用有源滤波器。集成有源滤波器有如下优点：1、在制作截止频率或中心频率较低的滤波器时，可以做到体积小、重量轻、成本低；2、由于采用集成电路，所以受环境条件（如机械振动、温度、湿度、化学因素等）的影响小；3、受电磁干扰的影响小；4、由于采用集成电路，可避免各滤波节之间的负载效应而使滤波器的设计和计算大简。综合以上原因我选择集成运放做语音滤波器。 2.2. 第二步确定设计方案 使用二阶有源高通滤波电路和一个二阶有源低通滤波电路串联而成所要求的语音滤波电路。图2.2.1 （a）原理图 图2.2.2 (b)理想的幅频响应带通滤波器电路构成示意图 （a）（b）表2.2.1 二阶低通滤波器设计表（上图）表2.2.2 二阶高通滤波器设计表（上图）根据要求及设计表我选择的设计方案如下：低通部分选择压控电压源电路，增益2；高通部分选择压控电压源电路，增益为5；然后将两者级联。2.3. 论证：在满足低通带截止频率高于高通带截止频率的条件下，把相同元件压控电压滤波器的低通和高通起来可以实现带通滤波器的通带响应。用该方法构成的带通滤波器的通带较宽，通带截止频率易于调整，因此多用做测量信号噪声比(SN)的音频带通滤波器。元器件选取及计算3. 元器件参数选取3.1. 元器件参数选取:要选择一种集成运放，首先要考虑到它的通频带是否满足本设计的要求。作为通用运放，LM324能满足要求.在运放电路中的电阻不宜选择过大或太小一般为几千欧至几十千欧比较合适。部分参数如下：对于低通部分：取Av=2，参数值为R1=1.25K,R2=2.5K,R3= R4=7.5K,K=1.111。由设计表上给出的计算公式得出C1=C2=0.03uF（k=100/fc*c）。对于高通部分：取Av=5，参数值为R5=1K,R6=12.5K，K=1。由设计表上给出的计算公式得出C3=C4=0.3uF，C5=0.06uF（k=100/fc*c）。 4. 电路图设计及仿真4.1. 低通电路设计及仿真图 4.1.1 二阶低通压控电压源电路仿真结果为：图4.1.2 低通中频带图4.1.3 低通三分贝点4.2. 高通电路设计及仿真图4.2.1高通电路仿真结果如下：图4.2.2 高通中频带图4.2.3 高通三分贝点4.3. 总体电路设计总体电路图为： 图4.3.1 总体电路仿真结果为： 图4.3.2 中频带图4.3.3 三分贝点5. 实物制作电路设计完成后，开始准备制作实物。5.1. 准备元件由于使用元件参数少见，需要串并联得到。R1=1.25k，用1k+240。R2=2.5K=2.4K+100，R3=R4=7.5K=2.4K+5.1K，R5=1K,R6=12.5K=12K+510，C1=C2=0.03uF,使用三个0.01uF并联，C3=C4=0.3uF,使用三个0.1uF并联，C5=0.06uF，使用两个0.1uF串联后与0.01uF并联。5.2. 焊接画好万用板上布线图后，在实验室焊接元件。我采用焊好一级测试一级的方式，减少实验调试难度。5.3. 调试结果输入电压峰峰值为1V，频率为1kHZ，运放的偏置电压使用+（-）7V，输出端中频放大电压为9.04V。三分贝点出电压为6.3V，频率为415HZ,2.4kHZ。基本达到实验要求。6. 心得体会通过此次模电课程设计对语音滤波器的设计，加强了我对模拟电子技术这门课程的理解，对其应用有了一定的认识，提高了我们综合运用知识的能力，以及分析问题、解决问题的能力。此次模拟电子技术课程设计，让我懂得了实践的重要性。在选择元件参数时，由于平时对参数了解不多，我选择的一些电阻电容市场上买不到，导致要串并联电容电阻才可达到要求。同时也使原本很简单的电路变得复杂，误差更大。我深深的体会到：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，为了得到更好的输出效果，我修改了了很多次。在焊接过程中一级一级地调试电路，在高通电路中由于焊接错误出现自激振荡，经过检查发现错误后修改得到满意结果。我想这次课程设计对我以后的专业课程的学习将有很大帮助。元件清单运算放大器 LM741 1个电容 0.01uF 7个 0.1uF 8个电阻 12K 1个 5.1K 1个 2.4K 3个 1K 3个 510 1个 240 1个 100 1个参考文献1、电子线路设计实验测试 第三版，谢自美 主编，华中科