模電-語(yǔ)音濾波器設(shè)計(jì)教材

1、模擬電路課程設(shè)計(jì)報(bào)告設(shè)計(jì)課題語(yǔ)音濾波器的設(shè)計(jì)專(zhuān)業(yè)班級(jí)：電子科學(xué)與技術(shù)1201學(xué)生姓名：學(xué) 號(hào)： 120803039指導(dǎo)教師：設(shè)計(jì)時(shí)間：2013.12.30 2014.1.6-i -目錄第一章概述1.1濾波器的功能和類(lèi)型1.2濾波器的主要特性指標(biāo)第二章實(shí)驗(yàn)?zāi)康牡谌路桨冈O(shè)計(jì)與論證3.1總體分析3.2 方案一3.3 方案二3.4 論證第四章單元電路設(shè)計(jì)與參數(shù)計(jì)算4.1元器件參數(shù)選取4.2電路圖設(shè)計(jì)第五章總原理圖及元器件清單5.1總原理圖5.2元器件清單第六章參數(shù)公式第七章仿真測(cè)試與性能分析第八章結(jié)論第九章參考文獻(xiàn)第一章 概述1.1 濾波器的功能和類(lèi)型 濾波器其實(shí)就是選頻電路， 可允許部分頻率的信號(hào)

2、順利通過(guò)， 而 另一部分頻率的信號(hào)受到較大抑制。 信號(hào)能通過(guò)的頻率范圍稱(chēng)通頻帶 / 通帶；受到很大衰減或完全被抑制的頻率范圍稱(chēng)阻帶；通帶和阻帶 間的分界頻率稱(chēng)截止頻率。理論上，在通帶內(nèi)電壓增益為常數(shù)，阻帶 內(nèi)的電壓增益為零； 實(shí)際上， 通帶和阻帶間存在一定頻率范圍的過(guò)渡 帶。從功能上分，濾波器分為低通、帶通、高通、帶阻等。功能： 濾波器是具有頻率選擇作用的電路或運(yùn)算處理系統(tǒng)， 具有濾除噪 聲和分離各種不同信號(hào)的功能。類(lèi)型： 按處理信號(hào)形式分：模擬濾波器和數(shù)字濾波器 按功能分：低通、高通、帶通、帶阻按電路組成分：LC無(wú)源、RC無(wú)源、由特殊元件構(gòu)成的無(wú)源濾波 器、RC有源濾波器按傳遞函數(shù)的微分方程

3、階數(shù)分：一階、二階、高階1.2 濾波器的主要特性指標(biāo) 特征頻率： 通帶截頻 fp=wp/(2p) 為通帶與過(guò)渡帶邊界點(diǎn)的頻率，在該點(diǎn) 信號(hào)增益下降到一個(gè)人為規(guī)定的下限。 阻帶截頻 fr=wr/(2p) 為阻帶與過(guò)渡帶邊界點(diǎn)的頻率，在該點(diǎn) 信號(hào)衰耗(增益的倒數(shù) )下降到一人為規(guī)定的下限。 轉(zhuǎn)折頻率fc二wc/(2p)為信號(hào)功率衰減到1/2(約3dB)時(shí)的頻 率，在很多情況下，常以 fc 作為通帶或阻帶截頻。 固有頻率 f0=w0/(2p) 為電路沒(méi)有損耗時(shí)，濾波器的諧振頻率， 復(fù)雜電路往往有多個(gè)固有頻率。增益與衰耗濾波器在通帶內(nèi)的增益并非常數(shù)。 對(duì)低通濾波器通帶增益 Kp 一般指w=0時(shí)的增益；

4、高通指 心 乂時(shí)的增益；帶通則指中心頻率處的增益。 對(duì)帶阻濾波器，應(yīng)給出阻帶衰耗，衰耗定義為增益的倒數(shù)。 通帶增益變化量 Kp指通帶內(nèi)各點(diǎn)增益的最大變化量，如果 Kp以dB為單位，則指增益dB值的變化量。阻尼系數(shù)與品質(zhì)因數(shù)阻尼系數(shù)是表征濾波器對(duì)角頻率為 w0信號(hào)的阻尼作用，是濾波 器中表示能量衰耗的一項(xiàng)指標(biāo)。阻尼系數(shù)的倒數(shù)稱(chēng)為品質(zhì)因數(shù)， 是評(píng)價(jià)帶通與帶阻濾波器頻率選 擇特性的一個(gè)重要指標(biāo)，Q= wO/ w。式中的 w為帶通或帶阻濾波 器的3dB帶寬，wO為中心頻率，在很多情況下中心頻率與固有頻率 相等。第二章 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、掌握系統(tǒng)各功能模塊的基本原理；2、培養(yǎng)基本掌握電路設(shè)計(jì)的基本思路和方法；

5、3、提高學(xué)生對(duì)所學(xué)理論的知識(shí)的理解能力；4、提高和掘?qū)W生對(duì)所學(xué)知識(shí)的實(shí)際應(yīng)用能力；5、提高學(xué)生的科技學(xué)做論文能力。第三章 方案設(shè)計(jì)與論證3.1 總體分析語(yǔ)音濾波器是屬于有源濾波器， 有源濾波器實(shí)際上是一種具有特 定頻率響應(yīng)的放大器。它是在運(yùn)算放大器的基礎(chǔ)上增加一些 R、C等 無(wú)源元件而構(gòu)成的，主要由兩部分電路組成，帶通濾波和帶阻濾波， 帶通濾波器用來(lái)通過(guò)語(yǔ)音信號(hào)，頻帶為 20Hz到20KHZ，再經(jīng)過(guò)帶阻 - 4 -濾波器濾去50Hz的工頻干擾信號(hào)，并最終達(dá)到語(yǔ)音濾波的目的。 在此，有兩種設(shè)計(jì)方案：一種是壓控電壓源電路設(shè)計(jì)，另一種是 用無(wú)限增益多路反饋電路設(shè)計(jì)，下面分別具體介紹兩種方案。3.2方

6、案一：壓控電壓源電路原理有源帶通濾波器（BPF）和帶阻濾波器（BEF）帶通濾波器是由低通 RC環(huán)節(jié)和高通RC環(huán)節(jié)組合而成的。要將高通的下限截止頻率設(shè)置的小于低通的上限截止頻率。 反之則為帶阻濾波器圖2壓控型二階低通幅頻特性- 20 -傳遞函數(shù):Au(s)=Aup(s)1+3-Aup(s)sRC+(sRC2上式中只有當(dāng)Aup（s）小于3時(shí)，即分母中s的一次項(xiàng)系數(shù)大于零,電路才能穩(wěn)定工作，而不產(chǎn)生自激振蕩。若令s=jw,f0=1/2 n rc,則電壓放大倍數(shù):Au=Aup1-( fO)如(3-Aup)若令Q=3爲(wèi)，則f=fO時(shí)，fo有 AU=AM=Q Aup當(dāng)2 Aup 3時(shí)，Au f=fo大于A

7、up ,圖2所示是Q值不同時(shí)的幅頻特性,當(dāng)f 口 fp時(shí)，曲線按-40dB/十倍頻下降圖3二階壓控型高通圖4二階壓控型高通幅頻特性傳遞函數(shù)：Aup(s)1+3-Aup(s)sRC+(sRC2(sRQ 八2通帶放大倍數(shù)：Aup=1+Rf/R1;截止頻率：fp=1/2 n RC品質(zhì)因數(shù):根據(jù)設(shè)計(jì)要求要組成壓控電壓源帶通濾波器， 則選擇上圖中的低通濾 波器和高通濾波器級(jí)聯(lián)即可。3.3方案二：無(wú)限增益多路反饋電路原理無(wú)限增益多路反饋有源濾波器一般形式要求集成運(yùn)放的開(kāi)環(huán)增益大于 60dB(ay(b)圖5壓控二階高通 圖6無(wú)限增益多路反饋二階高通傳遞函數(shù):Au(s)二Aup(s)|_1+ssA2R1R2C

8、2C3通帶放大倍數(shù):C1Aup=C3R2C2C3(C1+C2+C3)+sA2R1R2C 2C3截止頻率：fp=1/2 n , R1R2C2C3 ;品質(zhì)因數(shù)：Q= (CSC2+C3). C2R3R2圖7無(wú)限增益多路反饋二階低通濾波器在圖7中，當(dāng)f=0時(shí)，C1和C2均開(kāi)路，故通帶放大倍數(shù):Aup二-Rf/R1傳遞函數(shù):Au(s)=11+SC2R2Rf(R1 +Aup(s)1 1+R2 Rf)+sA2C1C2R2RfC1R2R1C2可得:fo=1/2 n ,C1C2R1Rf , Q= (R1/R2/Rf )3.4論證壓控電壓源（VCV$電路，其中運(yùn)放為同相輸入，輸入阻抗很高，輸 出阻抗很低，電路性能

9、穩(wěn)定，增益容易調(diào)節(jié)。無(wú)限增益多路反饋（MFB電路，有倒相作用，使用元件較少，但增 益調(diào)節(jié)對(duì)其性能參數(shù)會(huì)有影響。根據(jù)以上分析，本實(shí)驗(yàn)選擇方案一。第四章 單元電路設(shè)計(jì)與參數(shù)計(jì)算4.1元器件參數(shù)選取:要選擇一種集成運(yùn)放，首先要考慮到它的通頻帶是否滿足本設(shè)計(jì) 的要求。UA741作為通用運(yùn)放，能滿足要求，部分參數(shù)如下：對(duì)于低通部分：參數(shù)值為 R=5.63K,R2=11.25K,R3二R4=33.76K,由 設(shè)計(jì)表上給出的計(jì)算公式得出 C=C1=0.01uF(k=100/fc*c)，在本設(shè) 計(jì)中K=5b對(duì)于高通部分：參數(shù)值為 R=9.105K,R6=6.955K, R 7= R8=13.91K, 由設(shè)計(jì)表

10、上給出的計(jì)算公式得出 C仁C3=0.1uF(k=100/fc*c)，在本 設(shè)計(jì)中K=5。4.2電路圖設(shè)計(jì)(1)原理圖如下：3冰低通|A|高通(1忙0I川八a)帶通亠GJ(2)工作原理：利用高通和低通級(jí)聯(lián)來(lái)組成一個(gè)帶通。(3)數(shù)據(jù)處理：輸入電壓為Vo=1v。F(Hz)100150200300400500Vo(v)1.01.42.23.02.93.1f(Hz)60010001500200030005000Vo(v)3.03.13.23.02.01.0由上表數(shù)據(jù)可知該帶通濾波器的通頻帶為 200Hz 3KHz，與規(guī) 定的通頻帶有些出入，只是因?yàn)樵x取、參數(shù)測(cè)試等過(guò)程中產(chǎn)生了誤左。下面進(jìn)行計(jì)算：電壓

11、放大倍數(shù)Au :Au=3，通帶放大倍數(shù)Aup:因?yàn)?Au=Aup/3-Aup，所以 Aup=2.45品質(zhì)因數(shù)Q：Q=1/3-Aup，所以 Q=1.8第五章 總原理圖及元器件清單5.1圖三為總原理圖:5.2元器件清單:元件序號(hào)型號(hào)主要參數(shù)數(shù)量備注A1 A2Ua7412運(yùn)算放大器R15.6k Q1電阻R211 k Q1電阻R3, R433 k Q2電阻R59.1 k Q1電阻R66.8 k Q1電阻R7,R813 k Q2電阻C,C10.01 卩 F2電容C20.1 卩 F2電容第八早參考公式fH=2000Hz fl=200Hz f=1/T3 =2n /T=2 n f3 =1/RC R=1/ 3

12、cAv=A1A2=4K=100/fcC（數(shù)據(jù)主要是查表得來(lái)的）第七章仿真測(cè)試與性能分析第一仿真測(cè)試失敗，可能數(shù)據(jù)存在一定錯(cuò)誤。經(jīng)過(guò)修改數(shù)據(jù)仍然有小 誤差。由于時(shí)間問(wèn)題仿真測(cè)試不再進(jìn)行。本電路從理論上講是可以的?？梢砸种频陀?00赫茲以下和高于2000赫茲以上的頻率。仿真電路圖幅頻：200Hz 時(shí):otterPhase1000Hz時(shí).ArticaHbnzontaSaveLjr|X Bade Plotter2000Hz 時(shí):相頻特性:200HzSArticalIn720，HorizontalS722E3191EHZ1000HzBode PlotterV-ferticaHonzorrta2000Hz:futaigrirtudeHorizontalrtical9：i Out 第八章結(jié)論我們這次設(shè)計(jì)利用了二階有源高通濾波電路和一個(gè)二階有源 低通濾波電路串聯(lián)成所要求的語(yǔ)音濾波電路。 在滿足低通帶截止頻 率高于高通帶截止頻率的條件下， 把相同元件壓控電壓濾波器的低 通和高通起來(lái)可以實(shí)現(xiàn)帶通濾波器的通帶響應(yīng)。 重要的是本次設(shè)計(jì) 法對(duì)要求特性保持一致較寬范圍內(nèi)變化的情況比較適用， 但必須使 用精度和穩(wěn)定性均較高的元件。設(shè)計(jì)出來(lái)的語(yǔ)音濾波器基本實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)要求，截止頻率200Hz2000Hz電壓增益基本符合；阻帶衰減速率也基本上吻合設(shè) 計(jì)要求。第九章 參考文獻(xiàn)1、電工