語音濾波器設(shè)計-李建喜

-18-1緒論1.1濾波器簡介濾波器是一種對信號有處理作用的器件或電路。隨著電子市場的不斷發(fā)展濾波器也越來越被廣泛生產(chǎn)和使用，濾波器（filter）是指減少或消除諧波對電力系統(tǒng)影響的電氣部件。濾波器是一種用來消除干擾雜訊的器件，將輸入或輸出經(jīng)過濾波而得到純凈的電源。

濾波器主要分為有源濾波器和無源濾波器。主要作用是讓有用信號盡可能無衰減的通過，對無用信號盡可能大的反射。濾波器一般有兩個端口，一個輸入信號、一個輸出信號，利用這個特性可以選通通過濾波器的一個方波群或復(fù)合噪波，而得到一個特定頻率的正弦波。濾波器的功能就是允許某一部分頻率的信號順利的通過，而另外一部分頻率的信號則受到較大的抑制，它實質(zhì)上是一個選頻電路。濾波器中，把信號能夠通過的頻率范圍，稱為通頻帶或通帶；反之，信號受到很大衰減或完全被抑制的頻率范圍稱為阻帶；通帶和阻帶之間的分界頻率稱為截止頻率；濾波器是由電感器和電容器構(gòu)成的網(wǎng)路，可使混合的交直流電流分開。電源整流器中，即借助此網(wǎng)路濾凈脈動直流中的漣波，而獲得比較純凈的直流輸出。最基本的濾波器，是由一個電容器和一個電感器構(gòu)成，稱為L型濾波。所有各型的濾波器，都是集合L型單節(jié)濾波器而成?；締喂?jié)式濾波器由一個串聯(lián)臂及一個并聯(lián)臂所組成，串聯(lián)臂為電感器，并聯(lián)臂為電容器。在電源及聲頻電路中之濾波器，最通用者為L型及π型兩種。就L型單節(jié)濾波器而言，其電感抗XL與電容抗XC，對任一頻率為一常數(shù)，其關(guān)系為XL·XC=K2。故L型濾波器又稱為K常數(shù)濾波器。倘若一濾波器的構(gòu)成部分，較K常數(shù)型具有較尖銳的截止頻率（即對頻率范圍選擇性強），而同時對此截止頻率以外的其他頻率只有較小的衰減率者，稱為m常數(shù)濾波器。所謂截止頻率，亦即與濾波器有尖銳諧振的頻率。通帶與帶阻濾波器都是m常數(shù)濾波器，m為截止頻率與被衰減的其他頻率之衰減比的函數(shù)。每一m常數(shù)濾波器的阻抗與K常數(shù)濾波器之間的關(guān)系，均由常數(shù)m決定，此常數(shù)介于0～1之間。當(dāng)m接近零值時，截止頻率的尖銳度增高，但對于截止頻的倍頻之衰減率將隨著而減小。最合于實用的m值為0.6。至于那一頻率需被截止，可調(diào)節(jié)共振臂以決定之。m常數(shù)濾波器對截止頻率的衰減度，決定于共振臂的有效Q值之大小。若達(dá)K常數(shù)及m常數(shù)濾波器組成級聯(lián)電路，可獲得尖銳的濾波作用及良好的頻率衰減。1.2本人工作（1）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；2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1所示。.圖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）。表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所示.圖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）BW—帶通、帶阻濾波器的寬度高通帶通帶阻實現(xiàn)表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3所示電路為壓控電壓源電路，其中運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)于一個電壓源，故稱為電壓控制電壓源電路。圖4所示電路為其中運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3壓控電壓源電路圖4無限增益多路反饋電路2.2濾波器的設(shè)計方案選擇技術(shù)指標(biāo)截止頻率，，，阻帶衰減速率為。圖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)計要求，要求的帶寬范圍很寬，其阻帶的衰減速率為倍頻程，則采用一級二階高通濾波器與一級二階低通濾波器想級聯(lián)，組成一個二階帶通濾波器。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；相對應(yīng)的大的顯然為低通的截止頻率。2.3原理電路參數(shù)計算2.3.1對低通部分表5二階低通濾波器（巴特沃斯響應(yīng)）設(shè)計表壓控電壓源（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時的值，單位為KΩ。電阻為參數(shù)K=1時的值，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。運放R1>10（Ｒ１＋Ｒ２），輸入端到地要有一直流通路。在ｗc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得到二階壓控電壓源低通濾波器的電路,如圖6所表示.(2)由圖5得,f=2000Hz時,取C=0.01Uf,對應(yīng)的參數(shù)K=5,滿足K=.(3)從表2中得，Av=2時，電容C1=C=0.01uF；K=1時，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6截止頻率電容C及參數(shù)Ｋ的對應(yīng)關(guān)系(a)截止頻率(1-102)（b）截止頻率(102-104)(c)截止頻率（104-106）圖7二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3得到二階壓控電壓源高通濾波器電路,如圖7所示.(2)由圖5得到=200HZ時,C=0.1uF,對應(yīng)的參數(shù)K=5,滿足K=.(3)由表3中得到,Av=2時,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8二階高通濾波器（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）電路電路形式性能參數(shù)設(shè)計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時的值，單位為KΩ。電阻為參數(shù)K=1時的值，單位為KΩ。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9二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6和圖7級聯(lián)得到設(shè)計所要求的帶通濾波器電路，如圖10所示.圖10二階壓控電壓源帶通濾波器電路3仿真3.1軟件簡介軟件是一個專門用于電子電路仿真與設(shè)計的EDA工具軟件。作為Windows下運行的個人桌面電子設(shè)計工具,是一個完整的集成化設(shè)計環(huán)境。計算機仿真與虛擬儀器技術(shù)可以很好地解決理論教學(xué)與實際動手實驗相脫節(jié)的這一問題。學(xué)員可以很方便地把剛剛學(xué)到的理論知識用計算機仿真真實的再現(xiàn)出來，并且可以用虛擬儀器技術(shù)創(chuàng)造出真正屬于自己的儀表。軟件絕對是電子學(xué)教學(xué)的首選軟件工具。3.2仿真參數(shù)測試通過進行實驗調(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11輸入函數(shù)信號圖12波特圖像圖13輸入波形和與輸出波形圖14波特分析表一圖15波特分析表二3．3測量數(shù)據(jù)及分析：截止頻率測量值210Hz2kHz理論值200Hz2kHz幅頻特性輸入信號200Hz640Hz1kHz2kHz測量值2.934.013.892.85理論值4.004.004.004.00衰減速率低頻高頻測量值倍頻倍頻理論值倍頻倍頻綜上所示，當(dāng)fc＝1.5KHZ時，Av＝3.7，衰減速率為倍頻?；緷M足設(shè)計指標(biāo)的要求。由于、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。結(jié)束語時間對于真正使用它的人來說就如流水一般消失的很快，通過這將近一個月的努力，我已經(jīng)可以成功的在電腦上模擬出語音濾波器的工作原理了。在這將近一個月中，我從實踐中獲得了許多知識，獲得了許多課本上得不到的知識。

學(xué)習(xí)模電課程設(shè)計這段時間也是我們一學(xué)期最忙的日子，不僅面臨著期末考試，而且中間還有一些其他科目的實驗，這樣龐大的任務(wù)對我們來說，顯得很重。相關(guān)知識缺乏給學(xué)習(xí)帶來很大困難，為了盡快掌握它的用法，我照著原理圖學(xué)習(xí)視頻一步一步做，終于我在一步一步的實踐中獲得了正確模擬的方法。剛開始我借來了一份語音濾波器器的電路原理圖，但離實際應(yīng)用差距相去甚遠(yuǎn)，有些器件很難找到，后來到網(wǎng)上搜索了一下相關(guān)內(nèi)容，順便到學(xué)校圖書館借相關(guān)書籍，經(jīng)過不斷比較與討論，最終敲定了語音濾波器的電路原理圖，并且詢問了組員的相關(guān)設(shè)計的情況，為解下來的模擬仿真奠定了堅實的基礎(chǔ)。此次模擬電子技術(shù)課程設(shè)計，讓我懂得了實踐的重要性。即使課本知識掌握的很好，如果不會綜合運用，也是一些支離破碎的無用的知識，而如果能夠運用而實際動手能力很差，理論與實踐結(jié)合不起來，學(xué)得再好也沒用。這次課程設(shè)計恰好是將課本知識與的鞏固與綜合運用結(jié)合起來，再加上實際動手能力的培養(yǎng)三者結(jié)合起來的。一方面，它加深與鞏固了所學(xué)的各章節(jié)的理論，并將其綜合運用，提高了我們綜合運用知識的能力；另一方面，培養(yǎng)了我們對專業(yè)知識學(xué)習(xí)的興趣。課程設(shè)計中出現(xiàn)了很多問題。比如說設(shè)計原理圖時，必須懂得語音濾波器的工作原理。電路設(shè)計過程及參數(shù)確定比較煩瑣，我在模擬電路時遇到了很多困難，特別是連接好了電路圖，而波特儀總是不顯示圖形，這對我的一開始的打擊很重，但是我沒有很快的就放棄而是請教了多名組員幫助我找出錯誤的來源，終于在眾人的努力下，錯誤最終被排除，模擬終于見到了成效，那一刻的我們是高興地，感覺再多的累也是值得的。這一來我們會有很大的成就感，這強烈的激起了我學(xué)習(xí)的興趣，我想這次課程設(shè)計對我以后的專業(yè)課程的學(xué)習(xí)將有很大幫助。

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