模電課程設(shè)計(jì)語音濾波器

模擬電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)說明書語音濾波器院、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(jí)：完成時(shí)間：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(shí)驗(yàn)?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) -10-2.2濾波器的設(shè)計(jì)方案選擇 -11-2.3原理電路參數(shù)計(jì)算 -11-2.3.1對(duì)低通部分 -11-2.3.2對(duì)高通部分 -14-2.4原理電路設(shè)計(jì)選擇 -16-第3章NIMultisim仿真 -17-3.1NIMultisim仿真參數(shù)測(cè)試 -17-3.2測(cè)量數(shù)據(jù)及分析 -19-第4章心得體會(huì) -21-第5章參考文獻(xiàn) -21-附錄A電路原理圖 -22-附錄B設(shè)計(jì)元件及工具清單 -23-附錄C布線圖 -25-附錄D實(shí)物圖 -26-概述1.1濾波器的功能和類型濾波器其實(shí)就是選頻電路，可允許部分頻率的信號(hào)順利通過，而另一部分頻率的信號(hào)受到較大抑制。信號(hào)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(shí)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(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無源、RC無源、由特殊元件構(gòu)成的無源濾波器、RC有源濾波器.1.2濾波器的主要特性指標(biāo)特征頻率：①通帶截頻fp=wp/(2p)為通帶與過渡帶邊界點(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。②阻帶截頻fr=wr/(2p)為阻帶與過渡帶邊界點(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。③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。④固有頻率f0=w0/(2p)為電路沒有損耗時(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)。①對(duì)低通濾波器通帶增益Kp一般指w=0時(shí)的增益；高通指w→∞時(shí)的增益；帶通則指中心頻率處的增益。②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)。③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=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(gè)元件參數(shù)值的變化都會(huì)影響濾波器的性能。濾波器某一性能指標(biāo)y對(duì)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(cè)量?jī)x器或電路系統(tǒng)靈敏度不是一個(gè)概念，該靈敏度越小，標(biāo)志著電路容錯(cuò)能力越強(qiáng)，穩(wěn)定性也越高。群時(shí)延函數(shù)當(dāng)濾波器幅頻特性滿足設(shè)計(jì)要求時(shí)，為保證輸出信號(hào)失真度不超過允許范圍，對(duì)其相頻特性∮(w)也應(yīng)提出一定要求。在濾波器設(shè)計(jì)中，常用群時(shí)延函數(shù)d∮(w)/dw評(píng)價(jià)信號(hào)經(jīng)濾波后相位失真程度。群時(shí)延函數(shù)d∮(w)/dw越接近常數(shù)，信號(hào)相位失真越小。這次我們小組設(shè)計(jì)的200—2000赫茲語音濾波器（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)二階高通濾波電路串聯(lián)組成。可以構(gòu)成帶通濾波電路，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(hào)1.3實(shí)驗(yàn)?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(jì)電路及基本元器件的系數(shù)及選定；（3）運(yùn)用仿真軟件對(duì)設(shè)計(jì)電路進(jìn)行仿真測(cè)試，并對(duì)相關(guān)系數(shù)進(jìn)行誤差分析，找出誤差原因，并進(jìn)行改進(jìn)；第2章濾波器的傳輸函數(shù)與性能參數(shù)2．1濾波器的傳輸性能參數(shù)由RC元件與運(yùn)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(hào)通過，抑制或急劇衰減此頻率范圍以外的信號(hào)?？捎迷谛畔⑻幚怼?shù)據(jù)傳輸、抑制干擾等方面，但因受運(yùn)算放大器頻帶限制，這類濾波器主要用于低頻范圍。根據(jù)對(duì)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。.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(jì)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(dòng)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（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Av—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，（當(dāng)BW<<w0時(shí)）BW—帶通、帶阻濾波器的寬度高通帶通帶阻實(shí)現(xiàn)表2-1所示傳輸函數(shù)的常用電路有電壓控制電壓源電路和無限增益多路反饋電路。圖2-3所示電路為壓控電壓源電路，其中運(yùn)算放大器為同相輸入接法，因此濾波器的輸入阻抗很高，輸出阻抗很低，濾波器相當(dāng)于一個(gè)電壓源，故稱為電壓控制電壓源電路。圖2-4所示電路為其中運(yùn)算放大器為反相輸入接法，由于放大器的開環(huán)增益為無限大，反相輸入端可視為虛地，輸出端通過C2、R3形成兩條反饋支路，故稱為無限增益多路反饋電路。圖2-3壓控電壓源電路圖2-4無限增益多路反饋電路2.2濾波器的設(shè)計(jì)方案選擇技術(shù)指標(biāo)截止頻率，，，阻帶衰減速率為。圖2-3是二階壓控電壓源低通濾波器的電路，其傳輸函數(shù)的表達(dá)式為（2-1）（2-2）(2-3)（2-4）與式2-4低通濾波器傳輸函數(shù)的通用表達(dá)式相比較，可得濾波器性能參數(shù)的表達(dá)式為（2-5）（2-6）（2-7）（2-8）根據(jù)設(shè)計(jì)要求，要求的帶寬范圍很寬，其阻帶的衰減速率為-40dB/10倍頻程，則采用一級(jí)二階高通濾波器與一級(jí)二階低通濾波器想級(jí)聯(lián)，組成一個(gè)二階帶通濾波器。將帶通濾波電路看成兩部分，分別求出兩部分的電路元件參數(shù)；Av所放大的倍數(shù)可以同樣分成兩部分（各放大兩倍），所以每部分的Av都等于2；相對(duì)應(yīng)的fc大的顯然為低通的截止頻率。2.3原理電路參數(shù)計(jì)算2.3.1對(duì)低通部分表2-2二階低通濾波器（巴特沃斯響應(yīng)）設(shè)計(jì)表壓控電壓源（VCVS）電路無限增益多路反饋（MFB）電路電路形式性能參數(shù)設(shè)計(jì)表電路元件值電路元件值增益1268增益1268R11.4221.1260.6170.521R13.1112.5651.6971.625R25.3992.2502.0512.429R23.1115.13010.18016.252R3開路6.7523.2033.372R34.0723.2924.9774.723R406.75216.01223.602C10.2C0.15C0.05C0.033CC10.33CC2C2Ｃ電阻為參數(shù)K=1時(shí)的值，單位為KΩ。電阻為參數(shù)K=1時(shí)的值，單位為KΩ。應(yīng)用說明增益容易調(diào)整，輸入阻抗高，輸出阻抗低。運(yùn)放R1>10（Ｒ１＋Ｒ２），輸入端到地要有一直流通路。在ｗc處，運(yùn)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(yùn)放的Ｒ１＞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2－5得,f=2000Hz時(shí),取C=0.01Uf,對(duì)應(yīng)的參數(shù)K=5,滿足K=100/fcC.(3)從表2-2中得，Av=2時(shí)，電容C1=C=0.01uF；K=1時(shí)，電阻R1=1.126KΩ，R2=2.250KΩ,R3=6.752KΩ,R4=6.752KΩ。(4)將上述電阻值乘以參數(shù)K=5,得R1=5.63KΩ取標(biāo)稱值5.6KΩ+30ΩR2=11.25KΩ取標(biāo)稱值11KΩ+240ΩR3=R4=33.75KΩ取標(biāo)稱值33KΩ+750Ω圖2-5截止頻率fc電容C及參數(shù)Ｋ的對(duì)應(yīng)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）圖2-6二階壓控電壓源低通濾波器的電路2.3.2對(duì)高通部分(1)由表2－3得到二階壓控電壓源高通濾波器電路,如圖2－7所示.(2)由圖2－5得到fc=200HZ時(shí),C=0.1uF,對(duì)應(yīng)的參數(shù)K=5,滿足K=100/fcC.(3)由表2－3中得到,Av=2時(shí),R1=1.821KΩ,R2=1.391KΩ,R3=R4=2.782KΩ(4)將上述電阻都乘以參數(shù)K=5,得R1=9.105KΩ取標(biāo)稱值9.1KΩ+5ΩR2=6.955KΩ取標(biāo)稱值6.9KΩ+55ΩR3=R4=13.91KΩ取標(biāo)稱值13KΩ+910Ω表2-3二階高通濾波器（巴特沃響應(yīng)）設(shè)計(jì)壓控電壓源（VCVS）電路無限增益多路反饋（MFB）電路電路形式性能參數(shù)設(shè)計(jì)表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2.7820.9680.806C1C0.5C0.2C0.1CR402.7824.8385.640電阻為參數(shù)K=1時(shí)的值，單位為KΩ。電阻為參數(shù)K=1時(shí)的值，單位為KΩ。應(yīng)用說明要求運(yùn)放R1大于10R，R3R4的選取要考慮對(duì)失調(diào)的影響，在wc處，運(yùn)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(duì)AV實(shí)現(xiàn)調(diào)整。圖2－7二階壓控電壓源高通濾波器電路2.4原理電路設(shè)計(jì)選擇將圖2－6和圖2－7級(jí)聯(lián)得到設(shè)計(jì)所要求的帶通濾波器電路，如圖2－8所示.圖2－8二階壓控電壓源帶通濾波器電路第3章NIMultisim仿真3.1NIMultisim仿真參數(shù)測(cè)試通過Multisim進(jìn)行實(shí)驗(yàn)調(diào)整、測(cè)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(hào)圖3-2波特圖像圖3-3輸入波形和與輸出波形圖3-4波特分析表一圖3-5波特分析表二3．2測(cè)量數(shù)據(jù)及分析截止頻率fLfH測(cè)量值227Hz2kHz理論值200Hz1.956kHz幅頻特性輸入信號(hào)200Hz640Hz1kHz2kHz測(cè)量值2.934.013.892.85理論值4.004.004.004.00衰減速率低頻高頻測(cè)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)fc＝1.5KHZ時(shí)，Av＝3.7，衰減速率為－36.8dB/10倍頻?；緷M足設(shè)計(jì)指標(biāo)的要求。由于△R/R、△C/C對(duì)Wc的影響較大、人為因數(shù)以及系統(tǒng)誤差，所以實(shí)驗(yàn)參數(shù)與設(shè)計(jì)表中的關(guān)系式之間存在較大誤差。心得體會(huì)通過這次設(shè)計(jì)語音濾波器，小組收集到很多很好的資料，從而在構(gòu)思上給了我們這組很大的幫助。在收集資料過程中，我們都很好的復(fù)習(xí)了以前