語(yǔ)音濾波器課程設(shè)計(jì) -王凱.doc

1、 湖南工學(xué)院 課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 課題名稱:語(yǔ)音濾波器 專業(yè)名稱：電子信息工程 學(xué)生班級(jí)：通信1103 學(xué)生姓名：王凱 學(xué)生學(xué)號(hào):11401340336 指導(dǎo)教師：雷美艷 設(shè)計(jì)時(shí)間:2013。6。12013.6.28 課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)（一）設(shè)計(jì)目的1、學(xué)習(xí)有源濾波電路的設(shè)計(jì)方法；2、掌握二階RC有源濾波器性能參數(shù)的測(cè)試技術(shù)。（二）設(shè)計(jì)要求和技術(shù)指標(biāo)1、技術(shù)指標(biāo)：截止頻率，,，阻帶衰減速率為2、設(shè)計(jì)要求（1） 設(shè)計(jì)一個(gè)能滿足要求的二階有源濾波電路;（2） 要求繪出原理圖，并用Protel畫(huà)出印制板圖；（3） 根據(jù)設(shè)計(jì)要求和技術(shù)指標(biāo)設(shè)計(jì)好電路，選好元件及參數(shù)；（4） 在萬(wàn)能板或面包板或PCB板上安裝好電

2、路并調(diào)試；（5） 測(cè)量濾波器的性能參數(shù)：截止頻率、帶內(nèi)增益和阻帶衰減速率;（6） 用EWB對(duì)電路仿真，并打印出幅頻特性和相頻特性曲線；（7） 擬定測(cè)試方案和設(shè)計(jì)步驟；（8） 寫(xiě)出設(shè)計(jì)性報(bào)告。3、設(shè)計(jì)擴(kuò)展要求 （1)能對(duì)信號(hào)進(jìn)行頻譜分析和失真分析； （2）能對(duì)失真度進(jìn)行測(cè)量.（三)設(shè)計(jì)提示1、電路可采用一級(jí)二階低通與一級(jí)二階高通濾波電路級(jí)聯(lián)；2、電路根據(jù)二階濾波器（巴特沃斯響應(yīng)）設(shè)計(jì)表設(shè)計(jì)，采用壓控電壓源電路；3、在測(cè)試過(guò)程中，若某項(xiàng)指標(biāo)偏差較大,則應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)表調(diào)整修改相應(yīng)元件的值。4、設(shè)計(jì)用儀器設(shè)備（1）數(shù)字電壓表（2）面包板或萬(wàn)能板(3）智能電工實(shí)驗(yàn)臺(tái)5、參考書(shū):電子線路設(shè)計(jì)·實(shí)驗(yàn)

3、·測(cè)試華中科技大學(xué)出版社 模擬電子技術(shù)基礎(chǔ) 康華光主編 高等教育出版社 模擬電子技術(shù)胡宴如主編 高等教育出版社 6、設(shè)計(jì)用主要器件741兩塊、電阻電容若干(四）設(shè)計(jì)報(bào)告要求1、選定設(shè)計(jì)方案；2、擬出設(shè)計(jì)步驟，畫(huà)出電路，分析并計(jì)算主要元件參數(shù)值;3、列出測(cè)試數(shù)據(jù)表格。(五)設(shè)計(jì)總結(jié)1、總結(jié)有源濾波器的設(shè)計(jì)方法和運(yùn)用到的主要知識(shí)點(diǎn)； 2、總結(jié)有源濾波器性能參數(shù)的測(cè)試方法.目 錄第一章 概 述51.1濾波器的功能和類型 51。2模擬濾波器的傳遞函數(shù)與頻率特性 51。3濾波器的主要特性指標(biāo) 7第二章 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?8第三章 濾波器設(shè)計(jì)方案與論證83.1第一步確定設(shè)計(jì)思路83.2第二步確定設(shè)計(jì)方案

4、9第四章 單元電路設(shè)計(jì)與參數(shù)計(jì)算124。1元器件參數(shù)選取124.2電路圖設(shè)計(jì)13第五章 總原理圖及元器件清單 145.1總原理圖 145。2元器件清單 14第六章 參數(shù)公式 15第七章 仿真測(cè)試結(jié)果及數(shù)據(jù)分析16第八章 結(jié) 論19第九章 心得體會(huì)19第十章 參考文獻(xiàn) 20附錄 21第一章 概 述1.1濾波器的功能和類型濾波器其實(shí)就是頻率選擇電路，可允許部分頻率的信號(hào)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)的頻率范圍稱通頻帶/通帶；受到很大衰減或完全被抑制的頻率范圍稱阻帶.對(duì)于低通濾波器,將低于某一頻率wc(w<wc)的所有信號(hào)予以傳送，而無(wú)任何失真，將頻率高于這一頻率wc（

5、wwc)的信號(hào)完全衰減，這一頻率wc稱為截止頻率，高通濾波器則相反；帶通濾波器要求帶通系統(tǒng)的幅頻特性在帶通內(nèi)為常數(shù)，相頻特性為通過(guò)載頻w0點(diǎn)的直線。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。濾波器在近代電信設(shè)備和各類控制系統(tǒng)中應(yīng)用極為廣泛。 濾波器按功能可分為：低通、帶通、高通、帶阻等。功能：濾波器是具有選頻作用的電路或運(yùn)算處理系統(tǒng)，具有濾除不需要的信號(hào)和分離各種不同信號(hào)的功能。類型：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，

6、RC電路中又有壓控電壓源電路和無(wú)限增益多路反饋電路；按傳遞函數(shù)的微分方程階數(shù)分:一階、二階、高階.1。2模擬濾波器的傳遞函數(shù)與頻率特性模擬濾波器的傳遞函數(shù)傳遞函數(shù)用來(lái)描述模擬濾波電路的特性。傳遞函數(shù)是輸出與輸入信號(hào)電壓或電流拉氏變換之比。對(duì)于任意復(fù)雜的濾波網(wǎng)絡(luò)，均可分解為若干簡(jiǎn)單的一階與二階濾波電路級(jí)聯(lián)構(gòu)成。因?yàn)槿我鈧€(gè)線性網(wǎng)絡(luò)級(jí)聯(lián)后,總的傳遞函數(shù)等于各網(wǎng)絡(luò)傳遞函數(shù)的乘積。 表1.2。1 二階RC濾波器的傳輸函數(shù)類型傳輸函數(shù)性能參數(shù) 低通 Q-等效品質(zhì)因數(shù)電壓增益-低、高通濾波器的截止角頻率-帶阻塞、帶阻濾波器的中心角頻率BW帶通、帶阻濾波器的帶寬 高通  帶通&#

7、160;帶阻模擬濾波器的頻率特性模擬濾波器的傳遞函數(shù)H(s)表達(dá)了濾波器的輸入與輸出間的傳遞關(guān)系.若濾波器的輸入信號(hào)Ui是角頻率為w的單位信號(hào)，濾波器的輸出Uo（jw）=H（jw）會(huì)隨輸入信號(hào)的不同頻率而變化，稱為濾波器的頻率特性。頻率特性H（jw)是一個(gè)復(fù)函數(shù)，其幅值A(chǔ)(w）稱為幅頻特性，其幅角(w)表示輸出信號(hào)的相位相對(duì)于輸入信號(hào)相位的變化，稱為相頻特性。 Av0707AvfcAvAv （a） (b）fcAv0。707Av(c)圖1.2。2 濾波器的幅頻特性曲線（a）高通 （b)帶通 （c）低通一般來(lái)說(shuō)，濾波器的幅頻特性越好，其相頻特性越差,反之亦然。濾波器RC節(jié)數(shù)越多，電路調(diào)試越困難.常

8、用的逼近方法是巴特沃斯最大平坦效應(yīng)和切比夫雪等波動(dòng)效應(yīng)1。3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=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。這次我們小組設(shè)計(jì)的2002000Hz語(yǔ)音濾波器（二階有源帶通濾波器）由一級(jí)二階低通濾波電路和一級(jí)二階

9、高通濾波電路串聯(lián)組成?？梢詷?gòu)成帶通濾波電路，條件是低通濾波器的截止角頻率fH大于高通濾波電路的截止角頻率fL。它能抑制低于200Hz以下和高于2000Hz的信號(hào)第二章 實(shí)驗(yàn)?zāi)康恼莆障到y(tǒng)各功能模塊的基本原理；熟悉電路設(shè)計(jì)的基本方法；鍛煉學(xué)生理論與實(shí)踐應(yīng)用能力；培養(yǎng)對(duì)儀器的基本設(shè)計(jì)和說(shuō)明書(shū)編寫(xiě)能力；提高團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力；第三章 濾波器方案設(shè)計(jì)與論證3.1第一步確定設(shè)計(jì)思路考慮到實(shí)用性，帶負(fù)載能力要比較強(qiáng)，要滿足輸入阻抗應(yīng)足夠高,輸出阻抗應(yīng)夠小。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，要求的帶寬范圍很寬,阻帶衰減頻率40db/10倍頻程帶通濾波電路，可以采用一個(gè)高通和一個(gè)低通的濾波電路級(jí)聯(lián)而成,將帶通濾波電路看成兩部分，分別求出

10、兩部分電路元件參數(shù),Av放大倍數(shù)也分成兩部分Avl，Avh，Av即兩部分相乘, Av=4，我們?cè)谠O(shè)計(jì)電路時(shí)應(yīng)先計(jì)算好電阻，電容值。 圖3。1。1 帶通濾波器設(shè)計(jì)原理帶通濾波器高通濾波器低通濾波器圖3。1.2 系統(tǒng)框圖3。2第二步確定設(shè)計(jì)方案 二階低通濾波器由濾波器的指標(biāo)要求可知，帶通范圍是200Hz2000Hz,所以所設(shè)計(jì)的低通濾波器的截止頻率為2000Hz。表3。2.1 濾波器工作頻率與電容取值的對(duì)應(yīng)表f(H) 101001001k(110）k（10100）kC（uF)100。10。10。010。010。0010。0010.0001 電路根據(jù)二階濾波器（巴特沃斯響應(yīng)）設(shè)計(jì)表設(shè)計(jì)，如下表3。2

11、.2注：設(shè)計(jì)表的公式：K=(如帶通、帶組K=100/f0C）由于低通濾波器采用壓控電壓源電路比較容易實(shí)現(xiàn),增益也很好調(diào)，所以本次電路設(shè)計(jì)采用壓控電壓源電路。壓控為同相輸入接法,此濾波器輸入阻抗很高，輸出阻抗很低，濾波器相當(dāng)于一個(gè)電壓源。二階高通濾波器由濾波器的指標(biāo)要求可知，帶通范圍是200Hz2000Hz，所以所設(shè)計(jì)的高通濾波器的低邊截止角頻率為200Hz。表3.2.3 二階高通濾波器（巴特沃斯）設(shè)計(jì)表根據(jù)要求及設(shè)計(jì)表設(shè)計(jì)方案如下:低通部分選擇壓控電壓源電路，增益2;高通部分選擇壓控電壓源電路，增益為2；然后將兩者級(jí)聯(lián)。第四章 元器件選取及計(jì)算，電路圖設(shè)計(jì)4。1元器件參數(shù)選取:要選擇一種集成運(yùn)

12、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:根據(jù)截止頻率fH=2000Hz從表3.2.1中選定一定電容C的標(biāo)稱值C=C1=0。01uF，由公式：K=得K=5。K=1時(shí)的R同乘以5：K值大小K=1K=5R11.126K5.63KR22。250K11.25KR36。752K33.76KR46.752K33.76K參數(shù)值為R1=5。63K,R2=11.25K,R3= R4=33.76K 高通部分：根據(jù)截止頻率fL=200Hz從表3。2.1中選定一定電容C的標(biāo)稱值C2=C2=0.1uF，由公式：K=得K=5.K值大小K=1K=5R51

13、。0821K9.105KR61。0391K6.955KR72.782K13。91KR82。78213.91K從圖3。2.3中可以查出Av=2時(shí)對(duì)應(yīng)的電阻值（K=1時(shí)），K=1時(shí)的R同乘以5：參數(shù)值為R5=9。105K,R6=6。955K， R7= R8=13。91K。4.2電路圖設(shè)計(jì) 工作原理：利用高通和低通級(jí)聯(lián)來(lái)組成一個(gè)帶通。圖4.2。1為二階有源低通濾波電路:：圖4.2。2為二階有源高通濾波電路：第五章 總原理圖及元器件清單5.1總原理圖 圖5.1.1總原理圖5.2元器件清單：元件序號(hào)型號(hào)設(shè)計(jì)參數(shù)標(biāo)稱值誤差數(shù)量備注A1 A2Ua7412運(yùn)算放大器R15。63 k5.6k0。031電阻R21

14、1。25 k11 k0。251電阻R3， R433.76 k33k0.761,1電阻R59。105 k9。1 k0。0051電阻R66。955 k6。8 k0.1551電阻R7，R813。91 k13k0.911電阻C，C10.01F0.01F0.01，1電容C20.1F0.1F0。02電容第六章 參考公式經(jīng)查表的下列公式：低通：Wc2=1/（R1×R2×C1×C）=157。88×106 AVL=1+R4/R3=2 f=wc/2=2000Hz高通： Wc2=1/（R5×R6×C22） =1.579×106 AVH=1+R8/

15、R7=2 f=wc/2=200HzfH=2000Hz fl=200Hz f=1/T=2/T=2f =1/RC R=1/cAv=A1A2=4K=100/fcC第七章 仿真測(cè)試與性能分析二階有源濾波器不用電感元件、有一定增益、重量輕、體積小和調(diào)試方便,可用在信息處理、數(shù)據(jù)傳輸和抑制干擾等方面,但因受運(yùn)算放大器的頻帶限制，這類濾波器主要用于低頻。仿真：1仿真電路圖:幅頻：200hz時(shí)：1000hz時(shí)：2000hz時(shí)：相頻特性:200hz：1000hz:2000hz：2.誤差分析1）對(duì)誤差分析要做到精確，全面。2)本設(shè)計(jì)由于元器件選取參數(shù)與理論參數(shù)的不同而產(chǎn)生誤差,加上人身誤差,設(shè)計(jì)方法本身存在誤差電

16、路結(jié)構(gòu)AVfHfL理論值實(shí)測(cè)值誤差誤差率理論值實(shí)測(cè)值誤差誤差率理論值實(shí)測(cè)值誤差誤差率帶通4200Hz 2.57 1。4335%2000Hz1978Hz221.1%200Hz191。6Hz8.44。22KHz 2。921。0827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

17、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 心得體會(huì)通過(guò)對(duì)理論的研究，設(shè)計(jì)思路的摸索，我們成功做成了語(yǔ)音濾波器，無(wú)比興奮。以我們目前掌握的知識(shí)來(lái)應(yīng)對(duì)課程設(shè)計(jì)是很困難的,我們小組收集到很多很多的資料,從設(shè)計(jì)原理到設(shè)計(jì)過(guò)程、思路都給我們很大的幫助，同時(shí)也加深了對(duì)理論知識(shí)的理解,尤其是低通與高通濾波電路增進(jìn)了理解。這次設(shè)計(jì)，根據(jù)課題的技術(shù)指標(biāo)，在進(jìn)行了數(shù)據(jù)計(jì)算，基本上完成了設(shè)計(jì)的整體方案.我們團(tuán)體協(xié)作，共同完成了語(yǔ)音濾波器的設(shè)計(jì)任務(wù),總的來(lái)說(shuō)是基本上實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)所要求的功能，但一定程度上還是有很多不足之處。這次設(shè)計(jì)也培養(yǎng)了我們的電路設(shè)計(jì)基本思路和方法，提高了我們

18、綜合運(yùn)用知識(shí)的能力以及分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力，更加強(qiáng)了團(tuán)隊(duì)之間的合作精神。培養(yǎng)我們對(duì)專業(yè)知識(shí)的興趣，這次基本上達(dá)到了課程設(shè)計(jì)的目的。我也明白理論和實(shí)際是不同的兩個(gè)環(huán)節(jié)，就比如,設(shè)計(jì)出來(lái)的電路在理論上是可行的，但是實(shí)際做出來(lái)的板子可能也會(huì)沒(méi)有波形出現(xiàn)，這就需要調(diào)試,調(diào)試又要從理論上找準(zhǔn)修改的元器件的值，所以在這次理論與實(shí)踐相結(jié)合的設(shè)計(jì)中，我收益匪淺。第十章 參考文獻(xiàn)電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬部分 第五版 ， 高等教育出版社；華中科技大學(xué)電子技術(shù)課程組編；電子線路設(shè)計(jì)·實(shí)驗(yàn)·測(cè)試第三版，華中科技大學(xué)出版社；謝自美主編.電路與電子技術(shù)試驗(yàn)第一版，中南大學(xué)出版社；曹才開(kāi)等編著。高頻電子線路 西安電子科技大學(xué)出版社;申功邁  鈕文良編著模擬電子技術(shù)西安電子科技大學(xué)出版