湖南工学院语音滤波器课程设计.doc

湖南工学院 课程设计说明书 课题名称：语音滤波器 专业名称： 学生班级： 学生姓名： 学生学号： 指导教师： 课程设计任务书（一）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）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Protel画出印制板图；（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率；（6） 用EWB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。3、设计扩展要求 （1）能对信号进行频谱分析和失真分析； （2）能对失真度进行测量。（三）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：电子线路设计实验测试谢自美主编 华中科技大学出版社 电子技术基础（模拟部分） 康华光主编 高等教育出版社6、设计用主要器件741两块，电阻、电容若干（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。目录第一章 概 述11.1 滤波器的简述11.2 模拟滤波器的传递函数与频率特性11.3 滤波器的主要特性指标3第二章 方案设计与论证62.1 确定设计思路62.2 确定设计方案62.3 论证7第三章 元器件选取及计算83.1 参考公式83.2 元器件参数选取8第四章 仿真测试与性能分析114.1 仿真电路图114.2 幅频特性124.3 相频特性134.4 误差分析14第五章 实物性能测试与误差分析155.1 性能测试155.2 主要指标的计算165.3 误差分析17第六章 问题与结论186.1 遇到的问题186.2 结论18第七章 心得体会19参考文献20附 录 A21附 录 B22附 录 C23第一章 概 述1.1 滤波器的简述滤波器其实就是选频电路，其主要功能就是传送输入信号中有用的频率成分，衰减或抑制无用的频率成分。信号能通过的频率范围称通频带/通带；受到很大衰减或完全被抑制的频率范围称阻带；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。 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。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。表1-1 二阶RC滤波器的传输函数类型 传输函数 性能参数低通等效品质因数电压增益低、高通滤波器的截止角频率带阻塞、带阻滤波器的中心角频率带通、带阻滤波器的带宽高通带通带阻 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是角频率为w的单位信号，滤波器的输出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。频率特性是一个复函数，其幅值A(w)称为幅频特性，其幅角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。 （a）低通滤波电路 （b）高通滤波电路 （c）带通滤波电路 （d）带阻滤波电路 图1-1 滤波器的幅频特性曲线一般来说，滤波器的幅频特性越好，其相频特性越差，反之亦然。滤波器RC节数越多，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夫雪等波动效应1.3 滤波器的主要特性指标特征频率通带截频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。转折频率为信号功率衰减到1/2(约3dB)时的频率，在很多情况下，常以作为通带或阻带截频。固有频率为电路没有损耗时，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一般指时的增益；高通指时的增益；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。通带增益变化指通带内各点增益的最大变化量，如果以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，。式中的w为带通或带阻滤波器的3dB带宽， 为中心频率，在很多情况下中心频率与固有频率相等。 灵敏度滤波电路由许多元件构成，每个元件参数值的变化都会影响滤波器的性能。滤波器某一性能指标y对某一元件参数x变化的灵敏度记作，定义为： 。该灵敏度与测量仪器或电路系统灵敏度不是一个概念，该灵敏度越小，标志着电路容错能力越强，稳定性也越高。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，对其相频特性也应提出一定要求。在滤波器设计中，常用群时延函数评价信号经滤波后相位失真程度。群时延函数越接近常数，信号相位失真越小。这次我们小组设计的200Hz2000Hz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大于高通滤波电路的截止角频率。它能抑制低于200Hz以下和高于2000Hz的信号。 图1-2 原理图第二章 方案设计与论证2.1 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，另一种直接采用带通滤波器，本设计中采用第一种。考虑到电路的稳定性及增益=4，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、有电压放大作用；3、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；4、受电磁干扰的影响小；5、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。综合以上原因我们组选择集成运放做语音滤波器。2.2 确定设计方案表1-2 二阶低通滤波器设计表表1-3 二阶高通滤波器设计表 注：设计表的公式：（如带通、带阻） 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，截止频率为2000Hz,增益2；高通部分选择压控电压源电路，截止频率为200Hz，增益为2；然后将两者级联。 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。第3章 元器件选取及计算3.1 参考公式低通：高通： 3.2 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。uA741作为通用运放，能满足要求，部分参数如下： 表3-1 K=1时电阻值表 表3-2 K=1时电阻值表K值K=1R11.126KR22.250KR36.752KR46.752KK值K=1R51.821KR61.391KR72.782KR82.782二阶有源低通滤波电路： 图3-1 二阶低通滤波电路对于低通部分：根据截止频率从表1-2中选定一定电容的标称值，由公式：得。时的同乘以5：参数为,，取：， 二阶有源高通滤波电路： 图3-2 二阶高通滤波电路高通部分：根据截止频率从表1-3中选定一定电容的标称值，由公式：得。从图中可以查出时对应的电阻值（时），时的同乘以5：参数值为, ，取：， 第四章 仿真测试与性能分析 二阶有源滤波器不用电感元件、有一定增益、重量轻、体积小和调试方便，可用在信息处理、数据传输和抑制干扰等方面,但因受运算放大器的频带限制，这类滤波器主要用于低频。 第一我们小组利用Multisim仿真测试失败，可能是我们平时很少使用该软件，对其还比较陌生。经过查阅资料，修改数据仍然有小误差。所以我们选择放弃使用Multisim继续仿真，而选择了我们比较熟悉的软件EWB对电路进行了仿真。本电路从理论上讲是可以的。可以抑制低于200赫兹以下和高于2000赫兹以上的频率。理论上性能是可靠的但从实际出发我们小组仍需努力的改进数据使得数据更加的精确。性能理论上达到了实验的要求。4.1 仿真电路图 图4-1 仿真电路4.2 幅频特性200Hz时： 图4-2 200Hz幅频特性1000Hz时： 图4-3 1000Hz幅频特性 2000Hz时： 图4-4 2000Hz幅频特性 4.3 相频特性200Hz时： 图4-5 200Hz相频特性1000Hz时： 图4-6 1000Hz相频特性2000Hz时： 图4-7 2000Hz相频特性4.4 误差分析1）本设计由于元器件选取参数与理论参数的不同而产生误差；2）购买的元器件的大小有一定的误差；3）在调试过程中因为一些仪器的误差而导致测试结果有偏差。表4-1 仿真测试误差分析 频率内容误差理论值测量值200Hz2.8283.1310.6%1000Hz44.287%2000Hz2.8283.1912.8%第5章 实物性能测试与误差分析5.1 性能测试 我们在实验室选择了实验台上两组12v的电源，函数信号发生以及示波器完成了实物测试，测试结果如下： 200Hz时 图5-1 200Hz时输出输入波形图 1000Hz时 图5-2 1000Hz时输入输出波形 2000Hz时 图5-3 2000Hz时输入输出波形5.2 主要指标的计算200Hz时： 1000Hz时： 2000Hz时： 5.3 误差分析频率内容理论值测试值误差200Hz2.82.3615.7%1000Hz4402000Hz2.82.831.07% 第六章 问题与结论6.1 遇到的问题 在制板时，因为软件不熟，多花了好久的时间。在制板完成后调试时出不来波形，示波器显示无信号输入，后来我们用万用表对每一个焊点进行检查，发现因为制板完成后，没有打磨上面的黑色油墨，因而导致焊点与电路没接通。测试过程中因为组员不小心接反电源，我们烧坏了741芯片，重新做了一新的电路板。继续调试出来的波形很是杂乱，经过一些调节，最后得出的波形有些失真，而且没有达到增益为4的放大要求，后来才发现我们的PCB图少连了一根线，我们用导线焊接了起来。我们测试了第一级放大电路的增益为2，第二级的增益却只有1。我们组员继续利用仿真测试出在信号进入第二级放大电路时，电压经过两个电容后有了一定的衰减，后来我们决定将电路中的电阻R7由13k换成10k，经过仿真测试确定了前后两级增益都为2。6.2 结论我们这次设计利用了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成所要求的语音滤波电路。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。重要的是本次设计法对要求特性保持一致较宽范围内变化的情况比较适用，但必须使用精度和稳定性均较高的元件。设计出来的语音滤波器基本实现了设计要求，截止频率200Hz2000Hz；电压增益基本符合；阻带衰减速率也基本上吻合设计要求。第七章 心得体会这是第一次做课程设计，刚开始的确很茫然，之后我们按照老师的要求上网搜寻相关资料，理清了相关知识后，感觉做起来并没有想象中那么难。在收集资料过程中，我们都很好的复习了以前学习过的有关知识，尤其是低通与高通滤波电路这一块。根据课题的技术指标，我们基本上完成了设计的整体方案，并进行了一些有关数据计算，大体上还算是成功的，基本上实现了设计所要求的功能，这是小组团结合作所带来的结果。但一定程度上还是有很多不足之处，结果误差还是比较大的。这次设计培养了我们的电路设计基本思路和方法，以及让我亲身体验了制电路板的过程，为以后的一些设计打下基础。这次课程设计还提高了对所学知识的理解能力以及将理论知识运用到实际的能力。以前做实验一有什么问题从来都不会自己解决，立马就问助教和老师，自己解决问题的能力在这次课程设计中得到了很大的提升。最重要的是，因为这次设计我了解到很多专业方