模電 語音濾波器設(shè)計

1、模擬電路課程設(shè)計報告設(shè)計課題語音濾波器的設(shè)計專業(yè)班級： 電子科學(xué)與技術(shù) 1201 學(xué)生姓名：學(xué)號：120803039指導(dǎo)教師：設(shè)計時間： 2013.12.30 2014.1.6- 1 -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(biāo)第二章實驗?zāi)康牡谌路桨冈O(shè)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(shè)計與參數(shù)計算4.1 元器件參數(shù)選取4.2 電路圖設(shè)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- 2 -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

2、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)成的無源濾波器、RC有源濾波器按傳遞函數(shù)

3、的微分方程階數(shù)分：一階、二階、高階1.2 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，- 3 -復(fù)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

4、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。第二章實驗?zāi)康?、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(shè)計的基本思路和方法；

5、3、提高學(xué)生對所學(xué)理論的知識的理解能力；4、提高和掘?qū)W生對所學(xué)知識的實際應(yīng)用能力；5、提高學(xué)生的科技學(xué)做論文能力。第三章方案設(shè)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(yīng)的放大器。它是在運算放大器的基礎(chǔ)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(shè)計方案：一種是壓控電壓源電路設(shè)計，另一種是用無限增益多路反饋電路設(shè)計，下面分別具體介紹兩種方案。3.2 方案一

6、：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(shè)置的小于低通的上限截止頻率。反之則為帶阻濾波器。圖 1 壓控型二階低通圖 2 壓控型二階低通幅頻特性傳遞函數(shù)：Aup(s)Au(s) =1+3-Aup(s)sRC+(sRC)2上式中只有當(dāng) 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 rc,則電壓放大倍數(shù)：Au=Aup若令（ f） 2+j(3-Aup)f1-fofoAup有 Au =Q Aup3-Aup當(dāng) 2<

7、; Aup <3 時，Au f =fo大于 Aup1Q=，則 f=fo 時，圖 2 所示是 Q值不同時的幅頻特性，- 5 -當(dāng) f ? 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)Au(s) =1+3-Aup(s)sRC+(sRC)2 * （sRC）2通帶放大倍數(shù)： Aup=1+Rf/R1；截止頻率： fp=1/2 RC；品質(zhì)因數(shù)： Q=13-Aup根據(jù)設(shè)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- 6 -無限增益多路反饋有源濾波器一般形

8、式要求集成運放的開環(huán)增益大于 60dB圖 5 壓控二階高通圖 6 無限增益多路反饋二階高通s 2R1R2C 2C 3傳遞函數(shù)： Au (s)=Aup(s)gR21+s C 2C 3 (C 1+C 2+C 3)+s 2R1R 2C 2C 3通帶放大倍數(shù)：Aup=- C 1 ；C 3截止頻率： fp=1/2 R1R2C 2C 3 ；R1品質(zhì)因數(shù)： Q=（C1+C2+C3）C2C3R2- 7 -圖 7 無限增益多路反饋二階低通濾波器在圖 7 中，當(dāng) f=0 時， C1 和 C2 均開路，故通帶放大倍數(shù)：Aup=-Rf/R1Aup(s)傳遞函數(shù)： Au (s)=1+sC 2R2Rf ( 1 + 1 +

9、 1 )+s 2C 1C 2R2RfR1R2Rf可得：C1fo=1/2 C 1C 2R1Rf ，Q=（R1/R2/Rf ）R2R1C 23.4 論證壓控電壓源（ VCVS）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。- 8 -第四章單元電路設(shè)計與參數(shù)計算4.1 元器件參數(shù)選?。阂x擇一種集成運放， 首先要考慮到它的通頻帶是否滿足本設(shè)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 R1 =5.63K

10、,R2=11.25K,R 3= R4=33.76K, 由設(shè)計表上給出的計算公式得出 C=C1=0.01uF（k=100/fc*c ），在本設(shè)計中 K=5。對于高通部分：參數(shù)值為 R5 =9.105K,R6=6.955K, R 7= R8=13.91K，由設(shè)計表上給出的計算公式得出 C1=C3=0.1uF（k=100/fc*c ），在本設(shè)計中 K=5 。4.2 電路圖設(shè)計（ 1）原理圖如下：- 9 -：二階低通有源濾波電路二階高通有源濾波電路（2）工作原理：利用高通和低通級聯(lián)來組成一個帶通。-10-（ 3）數(shù)據(jù)處理：輸入電壓為 Vo=1v。F100150200300400500(Hz)Vo1.0

11、1.42.23.02.93.1(v)f60010001500200030005000(Hz)Vo3.03.13.23.02.01.0(v)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)生了誤差。下面進行計算：電壓放大倍數(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=1.8-11-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R15.6k1電

12、阻R211 k 1電阻R3， R433 k 2電阻R59.1 k 1電阻R66.8 k 1電阻R7,R813 k 2電阻C,C10.01 F2電容C20.1 F2電容-12-第六章參考公式fH=2000Hz fl=200Hzf=1/T =2/T=2 f =1/RC R=1/ c Av=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。可以抑制低于 200 赫茲以下和高于 2000 赫茲以上的頻率。仿真電路圖幅頻：200Hz 時：-13-1000Hz時2000Hz時：相頻特性：200Hz-14-1000Hz2000Hz：第八章結(jié)論我們這次設(shè)計利用了二階有源高通濾波電路和一個二階有源-15-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(yīng)。重要的是本次設(shè)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(shè)計出來的語音濾波器基本實現(xiàn)了設(shè)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(shè)計要求。第九章參考文獻1、電工電