語音濾波器課程設(shè)計(jì)--語音濾波器

1、<p><b>　　課程設(shè)計(jì)說明書</b></p><p>　　課題名稱：語音濾波器</p><p><b>　　專業(yè)名稱：通信工程</b></p><p><b>　　學(xué)生班級(jí)：</b></p><p><b>　　學(xué)生姓名： </b><

2、/p><p><b>　　學(xué)生學(xué)號(hào)： </b></p><p><b>　　指導(dǎo)教師： </b></p><p>　　設(shè)計(jì)時(shí)間：2013.6.1-2013.6.28</p><p><b>　　課程設(shè)計(jì)任務(wù)書</b></p><p><b>　?。?/p>

3、一）設(shè)計(jì)目的</b></p><p>　　1、學(xué)習(xí)有源濾波電路的設(shè)計(jì)方法；</p><p>　　2、掌握二階RC有源濾波器性能參數(shù)的測(cè)試技術(shù)。</p><p>　?。ǘ┰O(shè)計(jì)要求和技術(shù)指標(biāo)</p><p><b>　　1、技術(shù)指標(biāo)：</b></p><p>　　截止頻率，，，阻帶衰減速

4、率為</p><p><b>　　2、設(shè)計(jì)要求</b></p><p>　　設(shè)計(jì)一個(gè)能滿足要求的二階有源濾波電路；</p><p>　　要求繪出原理圖，并用Protel畫出印制板圖；</p><p>　　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)；</p><p>　　在萬能板或面包板或PC

5、B板上安裝好電路并調(diào)試；</p><p>　　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；</p><p>　　用EWB對(duì)電路仿真，并打印出幅頻特性和相頻特性曲線；</p><p>　　擬定測(cè)試方案和設(shè)計(jì)步驟；</p><p><b>　　寫出設(shè)計(jì)性報(bào)告。</b></p><p>&l

6、t;b>　　3、設(shè)計(jì)擴(kuò)展要求</b></p><p>　?。?）能對(duì)信號(hào)進(jìn)行頻譜分析和失真分析；</p><p>　?。?）能對(duì)失真度進(jìn)行測(cè)量。</p><p><b>　　（三）設(shè)計(jì)提示</b></p><p>　　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)；</p><

7、p>　　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；</p><p>　　3、在測(cè)試過程中，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。</p><p><b>　　4、設(shè)計(jì)用儀器設(shè)備</b></p><p><b>　?。?）數(shù)字電壓表</b></p><p

8、>　?。?）面包板或萬能板</p><p>　?。?）智能電工實(shí)驗(yàn)臺(tái)</p><p><b>　　5、參考書：</b></p><p>　　《電子線路設(shè)計(jì)·實(shí)驗(yàn)·測(cè)試》華中科技大學(xué)出版社</p><p><b>　　6、設(shè)計(jì)用主要器件</b></p><

9、p>　　741兩塊、電阻電容若干</p><p><b>　?。ㄋ模┰O(shè)計(jì)報(bào)告要求</b></p><p><b>　　1、選定設(shè)計(jì)方案；</b></p><p>　　2、擬出設(shè)計(jì)步驟，畫出電路，分析并計(jì)算主要元件參數(shù)值；</p><p>　　3、列出測(cè)試數(shù)據(jù)表格。</p><

10、;p><b>　?。ㄎ澹┰O(shè)計(jì)總結(jié)</b></p><p>　　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)； </p><p>　　2、總結(jié)有源濾波器性能參數(shù)的測(cè)試方法。</p><p>　　目 錄</p><p>　　第一章 概 述…………………………………………………5<

11、/p><p>　　1.1 濾波器的功能和類型 ……………………………………5</p><p>　　1.2 模擬濾波器的傳遞函數(shù)與頻率特性 ……………………6</p><p>　　1.3 濾波器的主要特性指標(biāo) …………………………………7</p><p>　　第二章 課程設(shè)計(jì)目的………………………………………………8</p>

12、<p>　　第三章 濾波器設(shè)計(jì)方案與論證……………………………………8</p><p>　　3.1 第一步確定設(shè)計(jì)思路………………………………………8</p><p>　　3.2 第二步確定設(shè)計(jì)方案………………………………………9</p><p>　　第四章 單元電路設(shè)計(jì)與參數(shù)計(jì)算………………………………12</p><p&g

13、t;　　4.1 元器件參數(shù)選取……………………………………………12</p><p>　　4.2 電路圖設(shè)計(jì)…………………………………………………13</p><p>　　第五章 總原理圖及元器件清單 ………………………………14</p><p>　　5.1 總原理圖 …………………………………………………14</p><p>　　5.

14、2 元器件清單 ………………………………………………14</p><p>　　第六章 參數(shù)公式 …………………………………………………15</p><p>　　第七章 仿真………………………………………………………15</p><p>　　第八章 測(cè)試結(jié)果及誤差分析……………………………………16</p><p>　　8.1 測(cè)試結(jié)果…

15、…………………………………………………16</p><p>　　8.2 誤差分析……………………………………………………18</p><p>　　第九章 結(jié) 論……………………………………………………20</p><p>　　第十章 心得體會(huì)…………………………………………………20</p><p>　　附錄 …………………………………

16、…………………………21</p><p><b>　　第一章 概 述</b></p><p>　　1.1濾波器的功能和類型</p><p>　　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，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。對(duì)于低通濾波器，將低于某一頻率

17、wc（w<wc）的所有信號(hào)予以傳送，而無任何失真，將頻率高于這一頻率wc（w>wc）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。 </p><p>　　濾波器

18、按功能可分為：低通、帶通、高通、帶阻等。</p><p><b>　　功能：</b></p><p>　　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。</p><p><b>　　類型：</b></p><p>　　按處理信號(hào)形式分：模擬濾波器和數(shù)字濾波器

19、；</p><p>　　按功能分：低通、高通、帶通、帶阻；</p><p>　　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，RC電路中又有壓控電壓源電路和無限增益多路反饋電路；</p><p>　　按傳遞函數(shù)的微分方程階數(shù)分：一階、二階、高階。</p><p>　　1.2模擬濾波器的傳遞函數(shù)與頻率特性<

20、/p><p>　　模擬濾波器的傳遞函數(shù)</p><p>　　傳遞函數(shù)用來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。</p><p>　　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。</p><p>　　表1.2.1 二階R

21、C濾波器的傳輸函數(shù)</p><p>　　模擬濾波器的頻率特性</p><p>　　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。</p><p>　　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

22、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。</p><p><b>　　(b)</b></p><p><b>　　(c)</b></p><p>　　圖1.2.2 濾波器的幅頻特性曲線</p><p>　　（a）高通 （b）帶通 （c）低通</p>

23、<p>　　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RC節(jié)數(shù)越多，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)和切比夫雪等波動(dòng)效應(yīng)</p><p>　　1.3濾波器的主要特性指標(biāo)</p><p><b>　　特征頻率：</b></p><p>　?、偻◣Ы仡lfp=wp/(2p)為通帶與過渡帶邊界點(diǎn)的頻

24、率，在該點(diǎn)信號(hào)增益下降到一個(gè)人為規(guī)定的下限。</p><p>　?、谧鑾Ы仡lfr=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。</p><p>　?、坜D(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。</p><p>　?、芄逃蓄l率f0=w0/(2p)為

25、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。</p><p>　　這次我們小組設(shè)計(jì)的200—2000Hz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?？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)</p><p>　　第二章 課程設(shè)計(jì)目的&

26、lt;/p><p>　?、僬莆障到y(tǒng)各功能模塊的基本原理；</p><p>　?、谑煜る娐吩O(shè)計(jì)的基本方法；</p><p>　?、坼憻拰W(xué)生理論與實(shí)踐應(yīng)用能力；</p><p>　?、芘囵B(yǎng)對(duì)儀器的基本設(shè)計(jì)和說明書編寫能力；</p><p>　?、萏岣邎F(tuán)隊(duì)協(xié)作能力；</p><p>　　第三章 濾波器方

27、案設(shè)計(jì)與論證</p><p>　　3.1第一步確定設(shè)計(jì)思路</p><p>　　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。</p><p>　　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，分別求出兩部分電路元件參數(shù)，Av放大倍

28、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。</p><p>　　圖3.1.1 帶通濾波器設(shè)計(jì)原理</p><p>　　圖3.1.2 系統(tǒng)框圖</p><p>　　3.2第二步確定設(shè)計(jì)方案</p><p><b>　　二階低通濾波器</b></p>&

29、lt;p>　　由濾波器的指標(biāo)要求可知，帶通范圍是200Hz~2000Hz，所以所設(shè)計(jì)的低通濾波器的截止頻率為2000Hz。</p><p>　　表3.2.1 濾波器工作頻率與電容取值的對(duì)應(yīng)表</p><p>　　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3.2.2</p><p>　　注：設(shè)計(jì)表的公式：K= （如帶通、帶組K=100/f0C）<

30、;/p><p>　　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。</p><p><b>　　二階高通濾波器</b></p><p>　　由濾波器的指標(biāo)要求可知，帶通范圍是200Hz~2000Hz，所以所設(shè)計(jì)的高通濾波

31、器的低邊截止角頻率為200Hz。</p><p>　　表3.2.3 二階高通濾波器（巴特沃斯）設(shè)計(jì)表</p><p>　　根據(jù)要求及設(shè)計(jì)表我選擇的設(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)。</p><p>　　第四章 元器件選取及計(jì)算，電路圖設(shè)計(jì)</p><p>　　4.1元器

32、件參數(shù)選?。?lt;/p><p>　　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：</p><p>　　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：</p><p>　　參數(shù)值為R1=5.63K

33、,R2=11.25K,R3= R4=33.76K </p><p>　　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。</p><p>　　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。<

34、/p><p><b>　　4.2電路圖設(shè)計(jì)</b></p><p>　　工作原理：利用高通和低通級(jí)聯(lián)來組成一個(gè)帶通。</p><p>　　圖4.2.1為二階有源低通濾波電路：</p><p><b>　?。?lt;/b></p><p>　　圖4.2.2為二階有源高通濾波電路：<

35、/p><p>　　第五章 總原理圖及元器件清單</p><p><b>　　5.1總原理圖</b></p><p>　　圖5.1.1總原理圖</p><p><b>　　5.2元器件清單：</b></p><p><b>　　第六章 參考公式</b>&l

36、t;/p><p><b>　　經(jīng)查表的下列公式：</b></p><p>　　低通：Wc2=1/（R1×R2×C1×C）=157.88×106 AVL=1+R4/R3=2 f=wc/2π=2000Hz</p><p>　　高通: Wc2=1/(R5×R6×C22) =1.579

37、5;106 AVH=1+R8/R7=2 f=wc/2π=200Hz</p><p>　　fH=2000Hz fl=200Hz f=1/T</p><p>　　ω=2π/T=2πf </p><p>　　ω=1/RC R=1/ωc</p><p><b>　　Av=A1A2=4</b></p&g

38、t;<p><b>　　K=100/fcC</b></p><p><b>　　第七章 仿真</b></p><p>　　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。</p><p>　　多次

39、仿真，多次修改數(shù)據(jù)，但仿真仍存在誤差。此濾波器可以抑制低于200赫茲以下和高于2000赫茲以上的頻率。理論上性能是可靠的但從實(shí)際出發(fā)我們小組仍需努力的改進(jìn)數(shù)據(jù)使得數(shù)據(jù)更加的精確。性能理論上達(dá)到了實(shí)驗(yàn)的要求。</p><p><b>　　仿真電路圖：</b></p><p>　　第八章 測(cè)試結(jié)果及誤差分析</p><p><b>　　8

40、.1測(cè)試結(jié)果</b></p><p><b>　　幅頻：</b></p><p><b>　　200hz時(shí)：</b></p><p>　　f=191.6Hz時(shí)，Av=2.57，與理論值4×0.707=2.828相差0.258，誤差率為9%</p><p><b>　　

41、1000hz時(shí)：</b></p><p>　　f=1KHz時(shí)，Av=3.89，與理論值A(chǔ)v=4相差0.11，誤差率為2.7%</p><p><b>　　2000hz時(shí)：</b></p><p>　　f=2KHz，Av=2.92，與理論值4×0.707=2.828相差0.092，誤差率為3%</p><

42、p><b>　　1000hz時(shí)：</b></p><p><b>　　相頻特性：</b></p><p><b>　　200hz：</b></p><p>　　∮=87.220°，理論值∮=+90°相差2.780，誤差率為3%</p><p><

43、b>　　1000hz：</b></p><p>　　∮=-25.400°，與理論值相差∮=-45°相差-19.6°誤差率為43%</p><p><b>　　2000hz：</b></p><p>　　∮=-78.800°，與理論值∮=-90°相差-11.2°，誤差率

44、為12%</p><p><b>　　8.2誤差分析：</b></p><p>　　1）對(duì)誤差分析要做到精確，全面。</p><p>　　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</p><p><b>　　第九章 結(jié)論</b></p>

45、<p>　　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。</p><p>　　設(shè)計(jì)出來的語音濾波器基本實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)要求，截止頻率200H

46、z～2000Hz；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。</p><p><b>　　第十章 心得體會(huì)</b></p><p>　　通過近一個(gè)月對(duì)理論的研究，設(shè)計(jì)思路的摸索，我們成功做成了語音濾波器，無比興奮。以我們目前掌握的知識(shí)顯然應(yīng)對(duì)課程設(shè)計(jì)是很困難的，我們小組收集到很多很好的資料，從設(shè)計(jì)原理到設(shè)計(jì)過程、思路都給我們很大的幫助，同時(shí)也加深了對(duì)理論知

47、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，共同完成了語音濾波器的設(shè)計(jì)任務(wù)，總的來說是基本上實(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，提高了我們綜合運(yùn)用知識(shí)的能力以及分析問題、解決問題的能力，培養(yǎng)我們對(duì)專業(yè)知識(shí)的興趣，也在一定程度上提高了我們寫作論文的能力，從而基本上達(dá)到了這次課程設(shè)計(jì)的

48、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)出來的電路在理論上是可行的，但是實(shí)際做出來的板子可能也會(huì)沒有波形出現(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，我收獲頗多。</p><p><b>　　附 錄</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn):</b></p><

49、;p>　?、佟峨娮蛹夹g(shù)基礎(chǔ)模擬部分》 第五版 ， 高等教育出版社；</p><p>　　華中科技大學(xué)電子技術(shù)課程組編；</p><p>　　②《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；</p><p><b>　　謝自美主編。</b></p><p>　?、邸峨娐放c電子技術(shù)試驗(yàn)》第

50、一版，中南大學(xué)出版社；曹才開等編著。</p><p>　?、堋陡哳l電子線路》 西安電子科技大學(xué)出版社；申功邁  鈕文良編著</p><p>　?、荨赌M電子技術(shù)》西安電子科技大學(xué)出版社；鄔國揚(yáng)主編</p><p><b>　　公式推導(dǎo)：</b></p><p>　　k1=k2=5

51、 </p><p>　　c1=c=100/k Fh=0.01μF c2=100/k fl=0.1μF</p><p>　　R1=5×1.126=5.63 kΩ R5=5×1.821=9.105 kΩ</p><p>　　R2=5×2.250=11.25 kΩ

52、 R6=5×1.391=6.955 kΩ</p><p>　　R3= R4=5×6.752=33.76 kΩ R7= R8=5×2.782=13.91 kΩ</p><p>　　由于在市場(chǎng)上買不到這樣數(shù)值的電阻，所以?。?lt;/p><p>　　R1=5.6 kΩ

53、 R5=9.1 kΩ </p><p>　　R2=11 kΩ R6=6.8 kΩ </p><p>　　R3= R4=33 kΩ R7= R8=13 kΩ </p><p><b>　　實(shí)物圖及PCB圖：</b></p><p><