模拟电子技术课程设计-语音滤波器设计

1、语音滤波器设计湖 南 工 学 院模拟电子技术课程设计语音滤波器设计 系 部：电气与信息工程系专 业：信息及自动控制班 级：信控0401班姓 名：学 号：43040110组 员：指导老师： 2005 年 下 期前言通过对模拟电子技术的学习，我对这门课程深入了解，学到许多知识，如半导体二极管，三极管的应用，放大电路的分析方法和应用，负反馈放大电路与基本运算电路性能与作用，信号产生电路等。然而，随着社会的发展，电子技术也飞快发展，对电子技术的要求越来越高，所以对动手能力要求高。而我系开设了模拟电路课程设计练习，对学生的动手能力非常重要。在实际工作中，电子技术人员需要分析器件、电路的工作原理；验证器件

2、、电路的功能；对电路进行调试、分析，排除电路故障；测试器件、电路的性能指标；设计、制作各种实用电路的样机。所有这些都离不开实验。此外，实验还有一个重要任务，是要培养正确处理数据，分析和综合实验结果、检查和排除故障的能力。同时养成我们勤奋、进取、严肃认真、理论联系实际的作风和为科学事业奋斗到底的精神。直流稳压电源的设计是模拟电子技术一个基础的设计课程，它一般是由电源变压器、整流滤波电路及稳压电路所组成，我们要掌握直流稳压电源的设计方法，研究其设计方案，学习直流稳压电源的稳压系数和内阻的测试方法。通过课程设计，我们可以提高我们的动手能力和工程设计能力，为以后走向工作岗位打好基础。侯智容2006-1

3、-1- 15 -目 录一、设计课题说明及要求二、设计原理三、设计步骤1、方案选择2、具体步骤四、设计性能指标的调试与测试五、设计误差分析及实物测试1、设计误差分析2、实物调试与测试六、设计总结七、protel印制板图八、设计安装工艺和焊接技术九、设计元件及工具清单十、心得体会十一、参考文献一、设计课题说明及要求1、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。2、设计要求和技术指标1)、技术指标：截止频率fh=2000hz，fl=200hz,av=4,阻带衰减速率为-40db/10倍频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

4、求绘出原理图，并用protel画出印制版图；（3）根据设计要求和技术指标设计好电路，选好原件及参数；（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。 4、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。二、设计原理滤波电路是一种能使有用频率信号通过

5、，同时抑制无用频率成分的电路。滤波电路种类很多，由集成运算放大器、电容和电阻可构成有源滤波器。由于有源滤波器不用电感，体积小，重量轻，谐振频率、增益和品质因数容易控制等而获得广泛应用。有源滤波电路有低通、高通、带通和带阻等型式。低通滤波电路指低频信号能通过而高频信号不能通过的电路，高通滤波电路则与低通滤波电路相反，带通滤波电路是指某一频段的信号能通过而该频段之外的信号不能通过的电路，带阻滤波电路与带通滤波电路作用相反。但是，具有理想特性的滤波器是很难实现的，只能用实际特性去逼近理想的。常用的逼近方法是巴特沃斯（butterwoth）最大平坦响应和切比雪夫（chebysher）等波动响应。在不允

6、许带内有波动时，用巴特沃斯响应较好。如果给定带内所允许的文波差，则用切比雪夫响应较好。二阶rc滤波器的传输函数如表1所示，其常用电路有电压控制电压源（vcvs）电路和无限增益多路反馈（mfb）电路。图1(a)所示电路为压控电压源电路，其中，运放为同相输入，输入阻抗很高，输出阻抗很低，滤波器相当于一个电压源，故称电压控制电压源电路。其优点是电路性能稳定、增益容易调节。图1(b)所示电路为无限增益多路反馈电路，其中，运放为反相输入，输出端通过c1、r2形成两条反馈支路，故称无限增益多路反馈电路。其优点是电路有倒相作用，使用元件较少，但增益调节对其性能参数会有影响，故应用范围比vcvs电路要小。表1

7、 二阶rc滤波器的传输函数类型传输函数性能参数低通av电压增益c低、高通滤波器的截止角频率0带阻塞、带阻滤波器的中心角频率q品质因数， 或（当bw0时）bw带通、带阻滤波器的带宽高通带通带阻 （a） （b）图1 二阶rc有源低通滤波器(a)压控电压源(vcvs)电路 (b)无限增益多路反馈(mfb)电路分析表明，图1所示电路的传输函数的表达式为 （1）与表1低通滤波器传输函数的通用表达式相比较，可得滤波器性能参数的表达式为 （2） （3） （4）在设计滤波器时，通常给定的性能指标有截止频率fc或截止角频率c,带内增益av，以及滤波器的品质因素q。对于二阶低通（或高通）滤波器，通常取q=0.70

8、7，在设计中，如果仅由av及q这三个数求出电路中的所有r、c元件的值，是相当困难的。通常是先设定一个或几个元件的值，再由式（2）（4）建立方程组，求其它元件值。设定的元件参数越少，方程求解越难，但电路调整较方便。现在已经用计算机完成了方程组的求解，并将具有巴特沃斯响应、切比雪夫响应的n=2,3,.,8阶各种类型的有源滤波器的电路及其所用的rc元件的值制成设计表，设计人员只需要查表就能得到滤波器的电路及rc元件的值，称这种查表法为有源滤波器的快速设计方法。图2设计中采用集成运放芯片741，它是八脚的集成芯片其引脚功能如图2所示，电源输入为15v。三、设计步骤1、方案选择选择滤波器的响应特性为巴特

9、沃斯响应，滤波器的电路形式为vcvs，滤波器的类型为一级二阶低通与一级二阶高通滤波电路串联；这样可以较好的达到滤波器的性能参数为截止频率fh=2000hz，fl=200hz,av=4 阻带衰减速率为-40db/10倍频2、具体步骤1）根据截止频率fc,从附图中选定一个电容c（单位f）的标称值，使其满足注意 k值不能太大，否则会使电阻的阻值较大，从而使引入的的误差增加，通常取1k10。2）从设计表表2中查出与av对应的电容值及k=1时的电阻值。再将这些电阻值以参数k，得电阻的设计值。表2 二阶滤波器设计表二阶低通滤波器（巴特沃斯响应）二阶高通滤波器（巴特沃斯响应）电路元件值av1246810r1

10、1.4421.1260.8240.6170.5210.462r25.3992.25015.372.0512.4292.742r3开路6.7523.1483.2033.3723.560r406.7529.44416.01223.60232.038c10.33c2c22c22c22c22c2电阻为参数k=1时的值，单位为k电路元件值av1246810r11.1251.8212.5923.1413.5933.985r22.2511.3910.9770.8060.7050.636r3开路2.7821.3030.9680.8060.706r402.7823.9104.8385.6406.356电阻为参数

11、k=1时的值，单位为k增益容易调整，输入阻抗高、输出阻抗低。运放ri10（r1+r2）,输入端到地要有意直流通路。在c处，运放的开环增益至少应是滤波器增益的50倍。要求运放ri大于10r2，r3、r4的选取要考虑对失调的影响，在c处，运放的开环增益av至少是滤波器增益的50倍。3）二阶高通滤波器级设计根据截止频率fl=200hz从附图中选定一定电容c（单位f）的标称值c=0.1f由公式：得k=5。k值大小k=1k=5r11.821k9.105kr21.391k6.955kr32.782k13.91kr42.782k13.91k表3 从设计表表2中可以查出与av=2对应的电阻值（k=1时）：4)

12、二阶低通滤波器设计根据截止频率fh=2000hz从附图中选定电容c2（单位f）的标称值c2=0.01f由公式：得k=5。k值的大小k=1k=5r11.126k5.63kr22.250k11.25kr36.752k33.76kr46.752k33.76kc1c2c2从设计表表2中可以查出与av=2对应的电阻值（k=1时）:表4 5）、把二阶高通与二阶低通串联构成如图电路：图35）、然后对设计的电路进行指标计算并与实物图参数比较:低通级： 在实物中我们取标称值: 表5低通设计值标称值误差r1/k5.635.50.1r2/k11.25110.25r3/k33.7633.750.01r4/k33.76

13、33.750.01c1/f0.010.010c2/f0.010.010高通级： 在实物中取标称值：表6高通设计值标称值误差r1/k9.1059.60.495r2/k6.9556.60.3r3/k13.9113.90.01r4/k13.9113.90.01c/k0.10.10四、性能指标的调试与测试1 、ewb仿真调试与测试：图41）我们对所设计的方案进行仿真调试与测试：第一步：在输入是100mv/600hz对每一级的放大倍数av和幅频特性与相频特性的测试与调试；第一级（高通）的测试结果如图4：图五从ewb中读出图五:放大倍数av为1.9982，测得avc=1.42截止频率f=204.4hz与设

14、计要求接近，从图中可知该级能实现高通的功能。 图六相频特性图七图七是输入与输出的波形图（幅度小是输入，大是输出）第二的测试结果：如图八图八从图中可知该级的放大倍数av为.2.03,avc=av/1.41=1.42，同时，也得到它的截止频率为2khz能实现低通功能，并且达到设计要求。第二步，在输入是100mv/600hz对整个电路进行测试；主要测试指标有幅频特性和相频特性及放大倍数，图4为整个电路仿真电路图图九 幅频特性从图九中可读出av=4.01，ay1=2.83，ay2=2.82 fx1=200.36hz，fx2=2k 带宽w=2000-200.36=1799.64hz图十相频特性图十一输入

15、与输出波形(幅值小的是输入,大是输出)输入是600hz 和8000hz相同幅值五、设计误差分析及实物测试1、误差分析1)对误差进行分析要遵循“误差公理”，要客观的分析做到实事求是。2)本设计存在仪器误差、人身误差、影响误差、方法误差等误差。下面对所设计的数据和实际数据的误差，测量值于性能指标的误差等进行分析3)设计值与实际数据的误差如表5、表6；测量值于性能指标的误差如表7 ：电路结构avflfh理论值测量值理论值测量值理论值测量值高通21.9980.0020.1%200hz204.4hz-4.42.1%低通21.680.3219%2khz2khz00%整电路44.01-0.010.2%200

16、hz200.36hz-0.360.18%2khz2khz00%2、实物调整与测试实物测试用到以下仪器：ds5000示波器，gfg8050型多功能函数发生器dt系列数字万用表通用电学实验台2、集成运放电路的调试1.1外观检查。检查是否有碰线、短路现象，元器件安装是否正确，器件引脚的接法是否正确。应重点检查正、负电源端及输出端的接线。1.2用万用表欧姆档，检查电路安装有无断路、短路或接触不良等问题。尤其应注意，运放输出端、电源端和解地端这几个端子之间不能短路，否则将损坏器件和电源。3、静态测试检查3.1将上述检查确认没有错误后，用万用表直流电压挡将直流电源输出电压调整到所需数值，电源关断后接入电路

17、中，并认真检查，确保直流电源正确、可靠的接入电路，然后接通直流电源。3.2将电路的信号输入端对地短接，用万用表直流电压挡测量集成运放各引脚端对地直流电压是否符合要求。若输出端电压偏离零电平，应进行调零调节。若调节无效，输出电压接近电源电压（正电源电压或负电源电压），可先检查调零电路是否接好，输入端接地是否可靠，若无问题，可短接负反馈电阻，若输出端仍不为零，则可初步判定该运放损坏。注意在更换运放时，应先关断直流电源，并对安装电路再仔细检查一遍，然后换上新的一片。4动态测试4.1当静态检查正常后，切断直流电源，拆去电输入端的对地端接线。4.2先对输入信号进行初测，使输入电压不超过规定的数值，然后将

18、其接入被测电路的输入端，再接通直流电源，即可对电路进行动态测试。若为直流输入可用直流电压表进行测量，若为交流信号输入，则应采用交流毫伏表或示波器进行测试。二、电路调试的目的 电子产品在试制，制作中，和单元电路的设计中，按照理论设计的电路图进行布线装备后，大多数情况下并不能正常运行，或达到预定的技术指标，必须通过调整和实验，发现和纠正设计方按的不足和装备过程中的错误，采取措施加以补救。电子技术的调试是保证电子设备正常工作和性能优良的关键步骤之一。 所谓电路调试，是以达到电路设计指标为目的，通过调整电路工作状态和元件参数，而进行一系列测试，调试，在测试，在调试的过程。同时电路调试又是发现问题调试故

19、障的过程。调试前的准备工作 检查内容与方法步骤如下：先外观检查，在加电检查最后进行动态检查外观检查就是在不加电流情况下，上述检查的基础上在检查，在检查各仪器的电路连线是否正确，是否接地，电源接线是否加电检查在确定电源极性连接和电压值确定的基础上，方可打开电源，初次通电，要特别注意是否有异常现象发生，通过手摸、眼看、鼻子嗅等方法检查元器件有无冒烟、发热、异味等现象，一旦发现，立即断电检查。动态检查电路无异常现象时，初步验证一下电路是否正常工作，方法是在输入端加入信号（信号参数由电路功能决定）。用示波器看输出响应，如调整信号的频率时，波形随着变化，说明电路正常，可进行测试。鉴别输出响应是正常还是不

20、正常，可根据输出波形来判断。无波形此时将示波器触发方式开关拨到连续扫描或自动扫描位置，有扫描基线，说明无响应，电路有故障，进行检查排除。若此时无扫描基线，说明示波器设置不当，可通过将扫描方式开关置于自动扫描，调节v/div或t/div旋钮，使波形出现。示波器上有波形，但波形频率较低，是个不规则的正弦波（与观察日身上的感应波形类似），而且改变输入信号频率和幅度，波形不变，说明系统有故障，大多数是由于没有共地而引起的。如有高频波形，调节输入信号频率和幅度，波形不变，说明电路产生自激。先排除自激，再进行测试。电路调试的方法调试的一般程序是：对于单元电路先静态，后动态；对于电路系统先分调，再总调。分立

21、元件电路的一个重要特点是交流并存，直流是为交流服务的，它是电路工作的基础只有保证静态工作正常，才能使电路符合设计要求。因此分立元件电路调试主要、大量的是静点调试。该设计的调试通过调试的资料及联系，我们设计的实际情况而做出该设计的调试过程如下：连接实物图与实验室相应的输入输出设备相连接，用万能表测试出电路在无电源状态下是否符合要求。通过检查无误，通电、用万用表测输入信号是否符合参数要求，如果不符合，则进行调整，使其符合要求。观察输出波形，由滤波器中看输出波形是否为所设计电路设定用的输出波形。然后改变其输入信号，再观察其输出波形，看是否与电路原理相同，通过多次调试，最终说明电路工作原理能否达到性能

22、指标。该设计的调试：由上述调试的过程及联系我们设计的实际情况而作出该设计的调试步骤如下：使事实物图与实验台相应的输入，输出设备相连接，用万能板测试出电路在静态（即无电源状态）下是否电路连接正确，达到要求。上述过程检查无误后，接通电源，用万用表测试输入信号是否符合参数要求，如果不符合则须继续调整直至符合要求为止。得到波形如图：在实物测试中，我应输入是600hz 和8000hz相同幅值从数字示波器图，（幅值小的是输入,大是输出）观察输出波形，得到如图的波形， 上图中左边有丛杂干扰信号，右边是我们得到的带宽宽度w=1768hz，它基本符合设计要求。六 设计总结一 有源滤波器的设计方法和运用到的主要知

23、识点有源滤波器的设计方法很多，如本报告中提到的巴特沃斯最大平坦响应和切比雪夫等波动响应的方法。本设计是采用巴特沃斯的设计方法，总体来说也就以下几步：1）由已知条件来确定选用哪种响应和哪种电路来实现；2）由设计表得出电容c的参数值，计算出参数k的值；3）由已知的av，c查设计表得出k=1时的电阻或电容；4）根据上一步的到的电阻或电容计算出在k值至下的电阻或电容；5）确定电阻或电容的标称值。*在该设计中所涉及到的知识点有: 1）有源滤波器的基本知识； 2）运放的基本知识； 3）集成运放的测试方法； 4）焊接技术的学习。二 有源滤波器性能参数的测试方法先快速改变信号源频率，粗略观察uo变化情况，若特

24、性无所需趋势的变化，则应先排除电路故障。采用逐点测量幅频特性的方法进行测量，且在截止频率附近多测几点。七、protel印制板图protel原理图：pcb印制板图： 八 安装工艺和焊接技术一、元件的安装电子元件的安装，就是将元件安装到电路上。根据电子元件的封装外形和安装方式的不同，可将元件分为插装元件和表面贴装元件两种。本设计是在万能板上安装元件，主要采用插装元件的方法。1插装元件的引线成型于安装1)插装元件的引线成型要求要将插装元件安装到电路板上，其引线有时需要成型，成型的目的是为了满足安装尺寸与板的配合等要求（当然对于已经满足要求的元件，如双直插封装的集成电路，就不必成型了）。手工插装焊接的

25、元器件引线加工形状需要注意的是：1引线不应在根部弯曲，至少要在根部1.5mm以上；2弯曲处的圆角半径r要大于两倍的引线直径；3弯曲后的两根引线要与元件本体垂直，且与元件中心位于同一平面内；4元件的标志符号应方向一致，以便于观察。2)元器件的插装方法电子元器件插装通常是指将插装元件的引线插入板上相应的安装孔内，分为手工插装和自动插装两种。本设计是在万能板上安装元件，采用手工插装方法。1手工插装。手工插装多用于科研或小批量生产，有两种方法：一种是一块电路板所需全部元器件有一人负责插装；另一种是采用传送带的方式多人流水作业完成插装。2自动插装。自动插装采用自动插装机完成插装。根据pcb板上的位置，由

26、事先编制出的相应程序控制自动插装机插装。插装机的插降价具有自动大王机构，能将插入的元件牢固的固定在板上，提高了电路板的焊接强度。自动插装机消除了由手工插装所带来的误插、漏插等差错，保证了产品的质量，提高了生产效率。三、焊接技术1焊接的基本方法1)导线及元件引线上锡。先用小刀或细砂纸清除导线、元件引线表面的氧化层，元件引线的根部要留出一小段不刮，以防止引线根部被刮断。对多股导线应逐根刮净，刮净后应将多股线拧成绳状，然后上锡。上锡过程：使烙铁通电加热到用烙铁头接触松香，如发出“嗞嗞”声且冒出白烟，则说明烙铁头温度适当。然后，将刮好的焊件引线放在松香上，用烙铁头轻压引线，边反复摩擦，边转动引线，直至

27、引线各部分均匀的涂上一层锡。2)烙铁的握法。根据烙铁的大小、形状和被焊件的要求等不同情况，握电烙铁的方法通常有反握法、正握法和握笔法三种。反握法焊接时动作稳定，长时间早着手不易搞到疲劳，适合于大功率电烙铁和热容量大的被焊件。正握法适用于弯烙铁操作和直烙铁头在机架上焊接互连导线时操作。握笔法长时间操作受容易疲劳，适用于小功率电烙铁和热容量小的被焊件的焊接。它是指电子元件焊接是常用的方法。3)焊接的基本方法。在保证被焊件被固定好以后，通常左手拿锡焊丝，右手拿电烙铁，即可对被焊件进行焊接。五步焊接法:a.准备。将被焊件固定在适当的位置，将焊料、烙铁等准备好放入方便实用的地方，进入可焊状态。b.用烙铁

28、头加热被焊件。c.送入焊料。被焊件经过加热达到一定温度后，立即将左手握着的焊料送入到被焊件和烙铁的连接点上熔化适量的焊料。d.移开焊料。当焊料熔化一定量之后，迅速移开焊料。e.移开电烙铁。当焊料流动扩散覆盖整个焊点后，迅速移开电烙铁。移开烙铁的方向与焊接质量有关，一般要求烙铁头以450角度的方向移开，此时的焊点圆滑，烙铁头只带走少量焊料。*注意在完成以上五个步骤后，焊料尚未凝固以前，不能改变被焊件的位置。因为焊料未凝固前，如果被焊件的相对位置发生改变，何能出现虚焊。三步焊接法。对于热容量小的焊件也可用三步法进行焊接。第一步，准备；第二步，同时将焊料和烙铁头送到被焊件上，使焊料与被焊件同时被加热

29、；第三步，同时移开烙铁和焊锡丝。集成电路的拖焊法。对于已经涂覆好阻焊膜和助焊剂的印制板，焊接集成电路时，可以先将集成电路按要求插到印制板上，然后将焊锡丝和烙铁头同时送到集成电路的一个引脚上，并且向集成电路的未焊引脚方向同时快速地拖动焊锡丝和烙铁头，这样一次可以将一排集成电路引脚焊接好，提高焊接速度和效率。由于印制板上有阻焊剂，不会造成桥接现象。此法被工厂的焊接师傅普遍采用。)焊点质量检查。焊好一个元件后，要对焊点质量进行检查，对焊点质量的具体要求一般是：圆滑、光亮、牢固、焊锡量适中，焊点大小一致，不允许有焊锡堆积、气孔、拉尖；不允许有虚焊、连焊和错韩。检查时，先用眼睛进行外观检查，看是否符合以上要求。然后，用镊子夹住并摇动元件引脚，并确认不松动。以上介绍的是，手工焊接，一般智适合于焊接量不太大，或者是进行产品样品研制时，才用手工方法焊接。而电子产品得工业焊接，则常常要用自动焊接技术，如浸焊，波峰焊，软焊等，这些焊接都是由自动焊接机完成的。如下图是我们组按上述要求所制实物图图十二九、设计元件及工具清单元件清单元器件单位数量大小芯片片2ha-1741电阻个133个10k、2个0.75 k、1个6.6 k、1个5.5 k、2个3.9 k、1个1 k、2个33 k、1个3k；电容