模電課程設(shè)計語音濾波器

1、模擬電子技術(shù)課程設(shè)計說明書模擬電子技術(shù)課程設(shè)計說明書 語音濾波器語音濾波器 院 、 部： 電氣與信息工程學(xué)院 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師： 職稱 專 業(yè)： 班 級： 完成時間： 0 課程設(shè)計任務(wù)書課程設(shè)計任務(wù)書（一）設(shè)計目的設(shè)計目的1、學(xué)習(xí)有源濾波電路的設(shè)計方法；2、掌握二階 RC 有源濾波器性能參數(shù)的測試技術(shù)。（二）設(shè)計要求和技術(shù)指標(biāo)（二）設(shè)計要求和技術(shù)指標(biāo)1、技術(shù)指標(biāo)：、技術(shù)指標(biāo)：截止頻率，阻帶衰減速率為HzfH2000HzfL2004VA倍頻10/40dB2、設(shè)計要求、設(shè)計要求（1） 設(shè)計一個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 畫出印制板圖；（3） 根據(jù)設(shè)

2、計要求和技術(shù)指標(biāo)設(shè)計好電路，選好元件及參數(shù)；（4） 在萬能板或面包板或 PCB 板上安裝好電路并調(diào)試；（5） 測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VA率；（6） 用 EWB 對電路仿真，并打印出幅頻特性和相頻特性曲線；（7） 擬定測試方案和設(shè)計步驟；（8） 寫出設(shè)計性報告。3 3、設(shè)計擴展要求、設(shè)計擴展要求 （1）能對信號進行頻譜分析和失真分析； （2）能對失真度進行測量。（三）設(shè)計提示（三）設(shè)計提示1、電路可采用一級二階低通與一級二階高通濾波電路級聯(lián)；2、電路根據(jù)二階濾波器（巴特沃斯響應(yīng)）設(shè)計表設(shè)計，采用壓控電壓源電路；3、在測試過程中，若某項指標(biāo)偏差較大，則應(yīng)根據(jù)設(shè)計表調(diào)整

3、修改相應(yīng)元件的值。4 4、設(shè)計用儀器設(shè)備、設(shè)計用儀器設(shè)備1（1）數(shù)字電壓表（2）面包板或萬能板（3）智能電工實驗臺5 5、參考書：、參考書：電子線路設(shè)計實驗測試華中科技大學(xué)出版社6 6、設(shè)計用主要器件、設(shè)計用主要器件 741 兩塊、電阻電容若干（四）設(shè)計報告要求（四）設(shè)計報告要求1、選定設(shè)計方案；2、擬出設(shè)計步驟，畫出電路，分析并計算主要元件參數(shù)值；3、列出測試數(shù)據(jù)表格。（五）設(shè)計總結(jié)（五）設(shè)計總結(jié)1、總結(jié)有源濾波器的設(shè)計方法和運用到的主要知識點； 2、總結(jié)有源濾波器性能參數(shù)的測試方法。2摘摘 要要 帶通濾波器是一個通過信號而衰減或抑制高頻信號的部件。理想濾波器電路的的頻響在通帶內(nèi)具有一定的幅

4、值和線性相移，而在阻帶內(nèi)幅值應(yīng)為零。有源濾波器是指由放大電路及 RC 網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的濾波器電路，它實際上是一種具有特定頻率相應(yīng)的放大器。濾波器的階數(shù)越高，幅頻特性的速率越快，但 RC 網(wǎng)絡(luò)的階數(shù)越多，元件參數(shù)計算越頻繁，電路的調(diào)試愈加困難。本次設(shè)計的一個帶通濾波器，將一級二階低通濾波器與一級二階高通濾波器級聯(lián)?？紤]到我們現(xiàn)在的知識水平，我們主要學(xué)會有源濾波器的應(yīng)用，運算放大器和 RC 網(wǎng)絡(luò)組成的有源濾波器具有許多獨特的優(yōu)點，與其他的濾波器的電路相比較，RC 電路相對簡單很多，該電路主要采用了 LM741 運放，并且加了 RC 網(wǎng)絡(luò)，加大幅頻特性衰減斜率，以達到在給定的頻段內(nèi)，讓信號無衰減的通過電路

5、，而通帶外的其它信號將受到很大的衰減，從而提高濾波效率。關(guān)鍵詞：帶通濾波器;LM741 運放;RC 網(wǎng)絡(luò)34ABSTRACTBand pass filter is a decrease or inhibit high-frequency signals through signal components. The ideal filter response with amplitude and linear in the passband phase shift, and within the stopband magnitude should be zero. The active filt

6、er is a filter circuit composed of amplifying circuit and the RC network, it is actually a kind of amplifier corresponding with specific frequency. Higher order filters, the amplitude-frequency characteristics of the faster rate, but the more the order of RC network, parameter calculation and more f

7、requent, circuit debugging more difficult. A bandpass filter in this design, a two order low pass filter with a two order high-pass filter cascade.Considering our knowledge level now, we mainly to learn the application of active filter, active filter composed of operational amplifiers and RC network

8、s have many unique advantages, circuit and other filter compared to the RC, relatively simple circuit, the circuit uses LM741 operational amplifier, and the RC network, increase the amplitude frequency characteristic attenuation slope, in order to achieve in a given frequency band, the circuit makes

9、 no signal attenuation, and other signal band will be greatly attenuated, thereby improving filtering efficiency.Key words：band pass filter；the LM741 operational amplifier；RC network5目 錄第 1 章 概述. - 6- 1.1 濾波器功能及類型 .- 6- 1.2 濾波器的特性指標(biāo) .- 7- 1.3 實驗?zāi)康?- 8 -第 2 章 濾波器的傳輸函數(shù)與性能參數(shù).- 10- 2.1 濾波器的傳輸性能參數(shù) .- 10

10、- 2.2 濾波器的設(shè)計方案選擇 .-11- 2.3 原理電路參數(shù)計算 .- 11 - 2.3.1 對低通部分 .-11- 2.3.2 對高通部分 .- 14 - 2.4 原理電路設(shè)計選擇 .- 16 -第 3 章 NI MULTISIM 仿真.- 17- 3.1 NIMultisim 仿真參數(shù)測試 .- 17 - 3.2 測量數(shù)據(jù)及分析 .- 19 -第 4 章 心得體會.- 21 -第 5 章 參考文獻.- 21 -附錄 A 電路原理圖 .- 22 -附錄 B 設(shè)計元件及工具清單 .- 23 -附錄 C 布線圖 .- 25 -附錄 D 實物圖 .-26-6第 1 章 概 述 1.1 濾波器

11、的功能和類型濾波器的功能和類型濾波器其實就是選頻電路，可允許部分頻率的信號順利通過，而另一部分頻率的信號受到較大抑制。信號能通過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；通帶和阻帶間的分界頻率稱截止頻率。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；實際上，通帶和阻帶間存在一定頻率范圍的過渡帶。 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算處理系統(tǒng)，具有濾除噪聲和分離各種不同信號的功能。類型：按處理信號形式分：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 無源、RC 無源、由特殊元件構(gòu)成

12、的無源濾波器、RC有源濾波器. 1.2 濾波器的主要特性指標(biāo)濾波器的主要特性指標(biāo)特征頻率：通帶截頻 fp=wp/(2p)為通帶與過渡帶邊界點的頻率，在該點信號增益下降到一個人為規(guī)定的下限。阻帶截頻 fr=wr/(2p)為阻帶與過渡帶邊界點的頻率，在該點信號衰耗(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)為信號功率衰減到 1/2(約 3dB)時的頻率，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)為電路沒有損耗時，濾波器的諧振頻率，復(fù)雜電路7往往有多個固有頻率。增益與衰耗濾波器在通帶內(nèi)的增益并非常數(shù)。對低通濾波器通帶增益 Kp 一般指 w=0

13、 時的增益；高通指 w時的增益；帶通則指中心頻率處的增益。對帶阻濾波器，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)是表征濾波器對角頻率為 w0 信號的阻尼作用，是濾波器中表示能量衰耗的一項指標(biāo)。阻尼系數(shù)的倒數(shù)稱為品質(zhì)因數(shù)，是評價帶通與帶阻濾波器頻率選擇特性的一個重要指標(biāo)，Q= w0/w。式中的w 為帶通或帶阻濾波器的 3dB 帶寬， w0 為中心頻率，在很多情況下中心頻率與固有頻率相等。 靈敏度濾波電路由許多元件構(gòu)成，每個元件參數(shù)值的變化都會影響濾波器的性能。濾波器

14、某一性能指標(biāo) y 對某一元件參數(shù) x 變化的靈敏度記作 Sxy，定義為： Sxy=(dy/y)/(dx/x)。該靈敏度與測量儀器或電路系統(tǒng)靈敏度不是一個概念，該靈敏度越小，標(biāo)志著電路容錯能力越強，穩(wěn)定性也越高。群時延函數(shù)當(dāng)濾波器幅頻特性滿足設(shè)計要求時，為保證輸出信號失真度不超過允許范圍，對其相頻特性(w)也應(yīng)提出一定要求。在濾波器設(shè)計中，常用群時延函數(shù)d(w)/dw 評價信號經(jīng)濾波后相位失真程度。群時延函數(shù) d(w)/dw 越接近常數(shù)，信號相位失真越小。8這次我們小組設(shè)計的 2002000 赫茲語音濾波器（二階有源帶通濾波器）由一級二階低通濾波電路和一級二階高通濾波電路串聯(lián)組成?？梢詷?gòu)成帶通濾

15、波電路，條件是低通濾波器的截止角頻率 Wh 大于高通濾波電路的截止角頻率Wl。它能抑制低于 200 以下和高于 2000 的信號 1.3 實驗?zāi)康模?）了解濾波器的基本電路的性質(zhì)與基本性能；（2）選定語音濾波器的設(shè)計電路及基本元器件的系數(shù)及選定；（3）運用仿真軟件對設(shè)計電路進行仿真測試，并對相關(guān)系數(shù)進行誤差分析，找 出誤差原因，并進行改進；第 2 章 濾波器的傳輸函數(shù)與性能參數(shù)21 濾波器的傳輸性能參數(shù) 由 RC 元件與運算放大器組成的濾波器稱為 RC 有源濾波器。其功能是讓一定頻率范圍內(nèi)的信號通過，抑制或急劇衰減此頻率范圍以外的信號。可用在信息處理、數(shù)據(jù)傳輸、抑制干擾等方面，但因受運算放大器

16、頻帶限制，這類濾波器主要用于低頻范圍。根據(jù)對頻率范圍的選擇的不同，可分為低通、高通、帯通與帶阻等四種濾波器，它們的幅頻特性如圖 2-1 所示。9.圖 2-1 濾波器的幅頻特性（a）低通， （b）高通， （c）帶通， （d）帶阻。 一般來說，濾波器的幅頻特性越好，其相頻特性越差，反之亦然。濾波器的階數(shù) n 越高，幅頻特性衰減的速率越快，但 RC 節(jié)數(shù)越多，元件參數(shù)計算越繁瑣，電路調(diào)試越困難。常用的逼近方法是巴特沃斯最大平坦效應(yīng)和切比雪夫等波動響應(yīng)（如圖 2-2） 。表 2-1 列出了二階 RC 有源濾波器的傳輸函數(shù),它們的幅頻特性如圖 2-1 所示. 圖 2-2 巴特沃斯響應(yīng)與切比雪夫響應(yīng)比較（

17、a）巴特沃斯幅頻特性（b）巴特沃斯相頻特性（c）切比雪夫幅頻特性（d）切比雪夫相頻特性10 表 2-1 二階 RC 濾波器的傳輸特性類 型傳輸函數(shù)性能參數(shù)低 通222)(cccvsQsAsA高 通222)(ccvsQssAsA帶 通22)(oovsQssQAsA帶 阻2222)()(ooovSsQssAAAv通帶內(nèi)的電壓增益Wc低、高通濾波器的中心角頻Q品質(zhì)因素，ffBWQo0 （當(dāng) BW10（） ，輸入端到地要有一直流通路。在c處，運放的開環(huán)增益至少應(yīng)是濾波器增益的 50 倍。有倒相作用，輸出阻抗低。運放的10（R3+R1/R2）,輸入端到地的直流通路已由 R2和 R3完成。同相端可接電阻

18、Rp，減小失調(diào)。(1)由表 2-2 得到二階壓控電壓源低通濾波器的電路,如圖 2-6 所表示.(2)由圖 25 得,f=2000Hz 時,取 C=0.01Uf,對應(yīng)的參數(shù) K=5,滿足 K=100/fcC.(3)從表 2-2 中得，Av=2 時，電容 C1=C=0.01uF；K=1 時，電阻R1=1.126K，R2=2.250K,R3=6.752K,R4=6.752K。(4)將上述電阻值乘以參數(shù) K=5,得R1=5.63K 取標(biāo)稱值 5.6K+30R2=11.25K 取標(biāo)稱值 11K+240R3=R4=33.75K 取標(biāo)稱值 33K+75014圖 2-5 截止頻率 fc 電容 C 及參數(shù)的對應(yīng)

19、關(guān)系(a)截止頻率 fc(1-102) （b）截止頻率 fc(102-104) (c)截止頻率 fc（104-106）15 圖 2-6 二階壓控電壓源低通濾波器的電路2.3.2 對高通部分(1)由表 23 得到二階壓控電壓源高通濾波器電路,如圖 27 所示.(2)由圖 25 得到 fc=200HZ 時,C=0.1uF,對應(yīng)的參數(shù) K=5,滿足 K=100/fcC.(3)由表 23 中得到,Av=2 時,R1=1.821K,R2=1.391K,R3=R4=2.782K (4)將上述電阻都乘以參數(shù) K=5,得 R1=9.105K 取標(biāo)稱值 9.1K+5R2=6.955K 取標(biāo)稱值 6.9K+55R

20、3=R4=13.91K 取標(biāo)稱值 13K+91016表 2-3 二階高通濾波器（巴特沃響應(yīng)）設(shè)計壓控電壓源（VCVS）電路無限增益多路反饋（MFB）電路電路形式12121CCRRc12211CCRRcCRACRQvc2122)1 (1)2(1112CCCCRQc性能參數(shù)341RRAv1CCAv電路元件值電路元件值增益1268增益1268R11.1251.8213.1413.593R10.7500.9001.0231.072R22.2511.3910.8050.705R23.3765.62712.37923.634R3開路2.7820.9680.806C1C0. 5C0.2C0.1CR402.7

21、824.8385.640設(shè)計表電阻為參數(shù) K=1 時的值，單位為K。電阻為參數(shù) K=1 時的值，單位為 K。17應(yīng)用說明要求運放 R1大于 10R，R3R4的選取要考慮對失調(diào)的影響，在 wc處，運放的開環(huán)增益 Av0至少是濾波器增益的 50 倍。同相端接等于 R2的電阻可減小失調(diào)，微調(diào) C 或 C!對 AV實現(xiàn)調(diào)整。 圖 27 二階壓控電壓源高通濾波器電路2.4 原理電路設(shè)計選擇將圖 26 和圖 27 級聯(lián)得到設(shè)計所要求的帶通濾波器電路，如圖 28 所示. 圖 28 二階壓控電壓源帶通濾波器電路18 第 3 章 NI Multisim 仿真3.1 NIMultisim 仿真參數(shù)測試通過 Mul

22、tisim 進行實驗調(diào)整、測量濾波器的性能參數(shù)及幅頻特性得到下面的圖。圖 3-1 輸入函數(shù)信號圖 3-2 波特圖像19圖 3-3 輸入波形和與輸出波形圖 3-4 波特分析表一20圖 3-5 波特分析表二32 測量數(shù)據(jù)及分析 截止頻率截止頻率fLfH測量值227Hz2kHz理論值 200Hz1.956kHz 幅頻特性幅頻特性輸入信號200Hz640Hz1kHz2kHz測量值2.934.013.892.85理論值4.004.004.004.0021衰減速率衰減速率低頻高頻測量值-27.5dB/10倍頻-29.4dB/10倍頻理論值-40dB/10倍頻-40dB/10倍頻 綜上所示，當(dāng) fc1.5KHZ 時，Av3.7，衰減速率為36.8dB/10 倍頻?；緷M足設(shè)計指標(biāo)的要求。由于R/R、C/C 對 Wc 的影響較大、人為因數(shù)以及系統(tǒng)誤差，所以實驗參數(shù)與設(shè)計表中的關(guān)系式之間存在較大誤差。22第