模電-語音濾波器設計教材

1、模擬電路課程設計報告設計課題語音濾波器的設計專業(yè)班級：電子科學與技術(shù)1201學生姓名：學 號： 120803039指導教師：設計時間：2013.12.30 2014.1.6-i -目錄第一章概述1.1濾波器的功能和類型1.2濾波器的主要特性指標第二章實驗目的第三章方案設計與論證3.1總體分析3.2 方案一3.3 方案二3.4 論證第四章單元電路設計與參數(shù)計算4.1元器件參數(shù)選取4.2電路圖設計第五章總原理圖及元器件清單5.1總原理圖5.2元器件清單第六章參數(shù)公式第七章仿真測試與性能分析第八章結(jié)論第九章參考文獻第一章 概述1.1 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

2、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)成的無源濾波 器、RC有源濾波器按傳遞函數(shù)的微分方程

3、階數(shù)分：一階、二階、高階1.2 濾波器的主要特性指標 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二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， 復雜電路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時的增益；

4、高通指 心 乂時的增益；帶通則指中心頻率處的增益。 對帶阻濾波器，應給出阻帶衰耗，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。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，Q= wO/ w。式中的 w為帶通或帶阻濾波 器的3dB帶寬，wO為中心頻率，在很多情況下中心頻率與固有頻率 相等。第二章 實驗目的1、掌握系統(tǒng)各功能模塊的基本原理；2、培養(yǎng)基本掌握電路設計的基本思路和方法；

5、3、提高學生對所學理論的知識的理解能力；4、提高和掘?qū)W生對所學知識的實際應用能力；5、提高學生的科技學做論文能力。第三章 方案設計與論證3.1 總體分析語音濾波器是屬于有源濾波器， 有源濾波器實際上是一種具有特 定頻率響應的放大器。它是在運算放大器的基礎上增加一些 R、C等 無源元件而構(gòu)成的，主要由兩部分電路組成，帶通濾波和帶阻濾波， 帶通濾波器用來通過語音信號，頻帶為 20Hz到20KHZ，再經(jīng)過帶阻 - 4 -濾波器濾去50Hz的工頻干擾信號，并最終達到語音濾波的目的。 在此，有兩種設計方案：一種是壓控電壓源電路設計，另一種是 用無限增益多路反饋電路設計，下面分別具體介紹兩種方案。3.2方

6、案一：壓控電壓源電路原理有源帶通濾波器（BPF）和帶阻濾波器（BEF）帶通濾波器是由低通 RC環(huán)節(jié)和高通RC環(huán)節(jié)組合而成的。要將高通的下限截止頻率設置的小于低通的上限截止頻率。 反之則為帶阻濾波器圖2壓控型二階低通幅頻特性- 20 -傳遞函數(shù):Au(s)=Aup(s)1+3-Aup(s)sRC+(sRC2上式中只有當Aup（s）小于3時，即分母中s的一次項系數(shù)大于零,電路才能穩(wěn)定工作，而不產(chǎn)生自激振蕩。若令s=jw,f0=1/2 n rc,則電壓放大倍數(shù):Au=Aup1-( fO)如(3-Aup)若令Q=3爲，則f=fO時，fo有 AU=AM=Q Aup當2 Aup 3時，Au f=fo大于A

7、up ,圖2所示是Q值不同時的幅頻特性,當f 口 fp時，曲線按-40dB/十倍頻下降圖3二階壓控型高通圖4二階壓控型高通幅頻特性傳遞函數(shù)：Aup(s)1+3-Aup(s)sRC+(sRC2(sRQ 八2通帶放大倍數(shù)：Aup=1+Rf/R1;截止頻率：fp=1/2 n RC品質(zhì)因數(shù):根據(jù)設計要求要組成壓控電壓源帶通濾波器， 則選擇上圖中的低通濾 波器和高通濾波器級聯(lián)即可。3.3方案二：無限增益多路反饋電路原理無限增益多路反饋有源濾波器一般形式要求集成運放的開環(huán)增益大于 60dB(ay(b)圖5壓控二階高通 圖6無限增益多路反饋二階高通傳遞函數(shù):Au(s)二Aup(s)|_1+ssA2R1R2C

8、2C3通帶放大倍數(shù):C1Aup=C3R2C2C3(C1+C2+C3)+sA2R1R2C 2C3截止頻率：fp=1/2 n , R1R2C2C3 ;品質(zhì)因數(shù)：Q= (CSC2+C3). C2R3R2圖7無限增益多路反饋二階低通濾波器在圖7中，當f=0時，C1和C2均開路，故通帶放大倍數(shù):Aup二-Rf/R1傳遞函數(shù):Au(s)=11+SC2R2Rf(R1 +Aup(s)1 1+R2 Rf)+sA2C1C2R2RfC1R2R1C2可得:fo=1/2 n ,C1C2R1Rf , Q= (R1/R2/Rf )3.4論證壓控電壓源（VCV$電路，其中運放為同相輸入，輸入阻抗很高，輸 出阻抗很低，電路性能

9、穩(wěn)定，增益容易調(diào)節(jié)。無限增益多路反饋（MFB電路，有倒相作用，使用元件較少，但增 益調(diào)節(jié)對其性能參數(shù)會有影響。根據(jù)以上分析，本實驗選擇方案一。第四章 單元電路設計與參數(shù)計算4.1元器件參數(shù)選取:要選擇一種集成運放，首先要考慮到它的通頻帶是否滿足本設計 的要求。UA741作為通用運放，能滿足要求，部分參數(shù)如下：對于低通部分：參數(shù)值為 R=5.63K,R2=11.25K,R3二R4=33.76K,由 設計表上給出的計算公式得出 C=C1=0.01uF(k=100/fc*c)，在本設 計中K=5b對于高通部分：參數(shù)值為 R=9.105K,R6=6.955K, R 7= R8=13.91K, 由設計表

10、上給出的計算公式得出 C仁C3=0.1uF(k=100/fc*c)，在本 設計中K=5。4.2電路圖設計(1)原理圖如下：3冰低通|A|高通(1忙0I川八a)帶通亠GJ(2)工作原理：利用高通和低通級聯(lián)來組成一個帶通。(3)數(shù)據(jù)處理：輸入電壓為Vo=1v。F(Hz)100150200300400500Vo(v)1.01.42.23.02.93.1f(Hz)60010001500200030005000Vo(v)3.03.13.23.02.01.0由上表數(shù)據(jù)可知該帶通濾波器的通頻帶為 200Hz 3KHz，與規(guī) 定的通頻帶有些出入，只是因為元件選取、參數(shù)測試等過程中產(chǎn)生了誤左。下面進行計算：電壓

11、放大倍數(shù)Au :Au=3，通帶放大倍數(shù)Aup:因為 Au=Aup/3-Aup，所以 Aup=2.45品質(zhì)因數(shù)Q：Q=1/3-Aup，所以 Q=1.8第五章 總原理圖及元器件清單5.1圖三為總原理圖:5.2元器件清單:元件序號型號主要參數(shù)數(shù)量備注A1 A2Ua7412運算放大器R15.6k Q1電阻R211 k Q1電阻R3, R433 k Q2電阻R59.1 k Q1電阻R66.8 k Q1電阻R7,R813 k Q2電阻C,C10.01 卩 F2電容C20.1 卩 F2電容第八早參考公式fH=2000Hz fl=200Hz f=1/T3 =2n /T=2 n f3 =1/RC R=1/ 3

12、cAv=A1A2=4K=100/fcC（數(shù)據(jù)主要是查表得來的）第七章仿真測試與性能分析第一仿真測試失敗，可能數(shù)據(jù)存在一定錯誤。經(jīng)過修改數(shù)據(jù)仍然有小 誤差。由于時間問題仿真測試不再進行。本電路從理論上講是可以的?？梢砸种频陀?00赫茲以下和高于2000赫茲以上的頻率。仿真電路圖幅頻：200Hz 時:otterPhase1000Hz時.ArticaHbnzontaSaveLjr|X Bade Plotter2000Hz 時:相頻特性:200HzSArticalIn720，HorizontalS722E3191EHZ1000HzBode PlotterV-ferticaHonzorrta2000Hz:futaigrirtudeHorizontalrtical9：i Out 第八章結(jié)論我們這次設計利用了二階有源高通濾波電路和一個二階有源 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現(xiàn)帶通濾波器的通帶響應。 重要的是本次設計 法對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。設計出來的語音濾波器基本實現(xiàn)了設計要求，截止頻率200Hz2000Hz電壓增益基本符合；阻帶衰減速率也基本上吻合設 計要求。第九章 參考文獻1、電工