语音滤波器设计.doc

长 沙 学 院 课程设计说明书 题目 语音信号滤波器的设计 系 部 电信系 专业 班级 电气工程及其自动化 姓名 学号 指导教师 起止日期 2012 12 10 2012 12 16 设计任务 一 设计目的设计目的 模拟电子技术课程设计是一门独立设课 有独立学分的实践性课程 同 模拟电子技术 理论讲授课程有密不可分的关系 起着相辅相成的作用 也 是在 模拟电子技术实验 课的基础上 进一步深化的实践环节 其主要目的 是通过本课程 培养 启发学生的创造性思维 进一步理解电子系统的概念 掌握小型模拟电子系统的设计方法 掌握小型模拟系统的组装和调试技术 掌 握查阅有关资料的技能 基本任务是设计一个小型模拟电子系统 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HzfH2000 HzfL200 4 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 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 V A 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 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 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 I 2 总结有源滤波器性能参数的测试方法 姓名学号专业班级 设计题目指导教师 指导教师意见 评定等级 教师签名 日期 答辩小组意见 评定等级 答辩小组长签名 日期 教研室意见 教研室主任签名 日期 系 部 意见 系主任签名 日期 II 长沙学院课程设计鉴定表 目录 第 1 章 绪论 1 1 1 滤波器简介 1 1 2 本人工作 2 第 2 章 滤波器的传输函数与性能参数 2 2 1 滤波器的传输性能参数 2 2 2 滤波器的设计方案选择 2 2 3 原理电路参数计算 2 2 3 1 对低通部分 2 2 3 2 对高通部分 2 2 4 原理电路设计选择 2 第 3 章 NI MULTISIM 仿真 2 3 1 NI Multisim 软件简介 2 3 2 NIMultisim 仿真参数测试 2 3 3 测量数据及分析 2 第 4 章 结束语 2 第 5 章 参考文献 2 说明课程设计成绩分 优秀 良好 及格 不及格 四类 0 第 1 章 绪论 1 1 滤波器简介 凡是有能力进行信号处理的装置都可以称为滤波器 在近代电信设备和各 类控制系统中 滤波器应用极为广泛 在所有的电子部件中 使用最多 技术 最为复杂的要算滤波器了 滤波器的优劣直接决定产品的优劣 所以 对滤波 器的研究和生产历来为各国所重视 1917 年美国和德国科学家分别发明了 LC 滤波器 次年导致了美国第一个 多路复用系统的出现 20 世纪 50 年代无源滤波器日趋成熟 自 60 年代起由于 计算机技术 集成工艺和材料工业的发展 滤波器发展上了一个新台阶 并且 朝着低功耗 高精度 小体积 多功能 稳定可靠和价廉方向努力 其中小体 积 多功能 高精度 稳定可靠成为 70 年代以后的主攻方向 导致 RC 有源滤 波器 数字滤波器 开关电容滤波器和电荷转移器等各种滤波器的飞速发展 到 70 年代后期 上述几种滤波器的单片集成已被研制出来并得到应用 80 年 代 致力于各类新型滤波器的研究 努力提高性能并逐渐扩大应用范围 90 年 代至现在主要致力于把各类滤波器应用于各类产品的开发和研制 当然 对滤 波器本身的研究仍在不断进行 我国广泛使用滤波器是 50 年代后期的事 当时主要用于话路滤波和报路滤 波 经过半个世纪的发展 我国滤波器在研制 生产和应用等方面已纳入国际 发展步伐 但由于缺少专门研制机构 集成工艺和材料工业跟不上来 使得我 国许多新型滤波器的研制应用与国际发展有一段距离 在无线电通信 非电量及微弱信号检测 电视接收机 自动控制等电路中 所能接收到的信号通常都是很微弱的 且其中还湿杂有无用或有害的信号 这 对电路的正常工作将会造成影响 为了消除这种影响 就需要用滤波器 便有 用信号频率能比较顺利地通过 而将无用及有害的信号滤掉 或让它们受到较 大的衰减 用电感器和电容器所组成的滤波器属无源滤波器 具有成本低 电 路简单的特点 按工作频率的范围 可分为低通滤波器 高通滤波器及带通滤 波器 低通滤波器只有低频信号能通过而高频信号不能通过 高通滤波器只有高 1 频信号能通过而低频信号不能通过 带通滤波器只有某一个通频带范围内的信号 能通过 而在此之外的其他频率的信号不能通过 滤波器有各种不同的分类 一般有如下几种 1 按处理信号类型分类 按处理信号类型分类 可分为模拟滤波器和离散滤波器两大类 其中模拟滤波 器又可分为有源 无源 异类三个分类 离散滤波器又可分为数字 取样模拟 混合三个分类 当然 每个分类又可继续分下去 总之 它们的分类可以形成 一个树形结构 实际上有些滤波器很难归于哪一类 例如开关电容滤波器既可 属于取样模拟滤波器 又可属于混合滤波器 还可属于有源滤波器 因此 我 们不必苛求这种 精确 分类 只是让人们了解滤波器的大体类型 有个总体 概念就行了 2 按选择物理量分类 按选择物理量分类 滤波器可分为频率 选择 幅度选择 时间选择 例如 PCM 制中的话路信号 和信息选择 例如匹 配滤波器 等四类滤波器 3 按频率通带范围分类 按频率通带范围分类 滤波器可分为低通 高通 带通 带阻 全通五个类别 而梳形滤波器属于带 通和带阻滤波器 因为它有周期性的通带和阻带 1 2 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 第 2 章 滤波器的传输函数与性能参数 2 1 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 2 1 所示 图 2 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 2 表 2 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 1 所示 3 图 2 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 2 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 BW 10 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 1 由表 2 2 得到二阶压控电压源低通滤波器的电路 如图 2 6 所表示 2 由图 2 5 得 f 2000Hz 时 取 C 50nf 对应的参数 K 1 满足 K 100 fcC 7 3 从表 2 2 中得 Av 2 时 电容 C1 C 50nF K 1 时 电阻 R1 1 126K R2 2 250K R3 6 752K R4 6 752K 图 2 5 截止频率 fc 电容 C 及参数 的对应关系 a 截止频率 fc 1 102 b 截止频率 fc 102 104 c 截止频率 fc 104 106 8 图 2 6 截止频率为 2KHZ 的二阶低通滤波器 2 3 2 对高通部分 1 由表 2 3 得到二阶压控电压源高通滤波器电路 如图 2 7 所示 2 由图 2 5 得到 fc 200HZ 时 C 500nF 对应的参数 K 1 满足 K 100 fcC 3 由表 2 3 中得到 Av 2 时 R1 1 821K R2 1 391K R3 R4 2 782K 表 2 3 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 9 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 图 2 7 截止频率为 200HZ 的二阶高通滤波器 2 4 原理电路设计选择 将图 2 6 和图 2 7 级联得到设计所要求的带通滤波器电路 如图 2 8 所示 10 图 2 8 二阶压控电压源带通滤波器电路 第 3 章 NI Multisim 仿真 3 1 NI Multisim 软件简介 NI Multisim 软件是一个专门用于电子电路仿真与设计的EDA 工具软件 作为 Windows 下运行的个人桌面电子设计工具 NI Multisim 是一个完 整的集成化设计环境 NI Multisim 计算机仿真与虚拟仪器技术可以很好地 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 NI Multisim 软件绝对是电子学教学的首选软件 工具 3 2 NIMultisim 仿真参数测试 通过 Multisim 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 的图 用波特测试仪测试波形 如图 2 9 所示 11 图 2 9 波特图形 观察波特测试仪上波形 在频率 200HZ 处 增益为 9dB 左右 如图 3 0 所示 图 3 0 频率在 200HZ 处幅频特性曲线 观察波特测试仪上波形 在频率 2000HZ 处 增益为 9dB 左右 如图 3 1 所示 图 3 1 频率在 2000HZ 处幅频特性曲线 观察波特测试仪上图形 在频率 623 683hz 处 增益为最大值为 11 953dB 如 图 3 2 12 图 3 2 频率在 623HZ 处幅频特性曲线 波形分析表如下 输入频率为 1khz 电压 1v 的信号时的输入输出波形如表 2 4 表 2 4 波形分析表 输入频率为 10khz 电压 1v 的信号时的输入输出波形如表 2 5 13 表 2 5 波形分析表 波特图形分析表如下表 2 6 3 3 测量数据及分析 14 截止频率截止频率 fLfH 测量值203 87Hz2 05kHz 理论值 200Hz2kHz 幅频特性幅频特性 输入信号200Hz640Hz1kHz2kHz 测量值9 02811 95311 7759 02 理论值4 004 004 004 00 衰减速率衰减速率 低频高频 测量值 37 0dB 10倍频 37 0dB 10倍频 理论值 40dB 10倍频 40dB 10倍频 3 4 结论 由于 R R C C 对 Wc 的影响较大 人为因数以及系统误差 所以实验 参数与设计表中的关系式之间存在较大误差 从设计结果可以看出 在频率 200HZ 和 2KHZ 处 增益均下降 3dB 左右 而最大增益 Av 11 953dB 所以能够满 足设计要求 该语音滤波器能够正常使用 第 4 章 结束语 经过一个星期的课程设计的摸索学习 我已经自己能制作一个语音滤波 器器 这其中的兴奋是无法用言语表达的 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 任务对我们来说 显得很重 15 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 终于知道了如何操作 刚开始我借来了一份语音滤波器器的电路原理图 但离实际应用差距较 大 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 并且询问了兄弟班关于元器件的参数情况 为下步实物连接