语音滤波器课程设计.doc

湖南工学院
课程设计说明书

课题名称：语音滤波器
专业名称：电子信息工程
学生班级：电子0903班
学生姓名：
学生学号：
指导教师：雷美艳
设计时间：2010.6.1-2010.6.28

课程设计任务书

（一）设计目的
1、学习有源滤波电路的设计方法；
2、掌握二阶RC有源滤波器性能参数的测试技术。
（二）设计要求和技术指标
1、技术指标：
截止频率，，，阻带衰减速率为
2、设计要求
（1） 设计一个能满足要求的二阶有源滤波电路；
（2） 要求绘出原理图，并用Protel画出印制板图；
（3） 根据设计要求和技术指标设计好电路，选好元件及参数；
（4） 在万能板或面包板或PCB板上安装好电路并调试；
（5） 测量滤波器的性能参数：截止频率、带内增益和阻带衰减速率；
（6） 用EWB对电路仿真，并打印出幅频特性和相频特性曲线；
（7） 拟定测试方案和设计步骤；
（8） 写出设计性报告。
3、设计扩展要求
（1）能对信号进行频谱分析和失真分析；
（2）能对失真度进行测量。
（三）设计提示
1、电路可采用一级二阶低通与一级二阶高通滤波电路级联；
2、电路根据二阶滤波器（巴特沃斯响应）设计表设计，采用压控电压源电路；
3、在测试过程中，若某项指标偏差较大，则应根据设计表调整修改相应元件的值。
4、设计用仪器设备
（1）数字电压表
（2）面包板或万能板
（3）智能电工实验台
5、参考书：
《电子线路设计·实验·测试》华中科技大学出版社
6、设计用主要器件
741两块、电阻电容若干
（四）设计报告要求
1、选定设计方案；
2、拟出设计步骤，画出电路，分析并计算主要元件参数值；
3、列出测试数据表格。
（五）设计总结
1、总结有源滤波器的设计方法和运用到的主要知识点；
2、总结有源滤波器性能参数的测试方法。

目 录

第一章 概 述…………………………………………………5
1.1滤波器的功能和类型 ……………………………………5
1.2模拟滤波器的传递函数与频率特性 ……………………5
1.3滤波器的主要特性指标 …………………………………6
第二章 实验目的 …………………………………………………7
第三章 方案设计与论证…………………………………………8
3.1第一步确定设计思路………………………………………8
3.2第二步确定设计方案………………………………………8
3.3论证 ………………………………………………………10
第四章 单元电路设计与参数计算………………………………11
4.1元器件参数选取……………………………………………11
4.2电路图设计…………………………………………………11
第五章 总原理图及元器件清单 ………………………………13
5.1总原理图 …………………………………………………13
5.2元器件清单 ………………………………………………13
第六章 参数公式 …………………………………………………14
第七章 仿真测试与性能分析……………………………………14
第八章 结 论……………………………………………………15
第九章 心得体会…………………………………………………15
第十章 参考文献 …………………………………………………16
附录 ……………………………………………………………17

第一章 概 述

1.1滤波器的功能和类型
滤波器其实就是选频电路，可允许部分频率的信号顺利通过，而另一部分频率的信号受到较大抑制。信号能通过的频率范围称通频带/通带；受到很大衰减或完全被抑制的频率范围称阻带；通带和阻带间的分界频率称截止频率。理论上，在通带内电压增益为常数，阻带内的电压增益为零；实际上，通带和阻带间存在一定频率范围的过渡带。
从功能上分，滤波器分为低通、带通、高通、带阻等。

功能：
滤波器是具有频率选择作用的电路或运算处理系统，具有滤除噪声和分离各种不同信号的功能。

类型：
按处理信号形式分：模拟滤波器和数字滤波器
按功能分：低通、高通、带通、带阻
按电路组成分：LC无源、RC无源、由特殊元件构成的无源滤波器、RC有源滤波器
按传递函数的微分方程阶数分：一阶、二阶、高阶

1.2模拟滤波器的传递函数与频率特性
模拟滤波器的传递函数
模拟滤波电路的特性可由传递函数来描述。传递函数是输出与输入信号电压或电流拉氏变换之比。
经分析，任意个互相隔离的线性网络级联后，总的传递函数等于各网络传递函数的乘积。这样，任何复杂的滤波网络，可由若干简单的一阶与二阶滤波电路级联构成。
模拟滤波器的频率特性
模拟滤波器的传递函数H(s)表达了滤波器的输入与输出间的传递关系。若滤波器的输入信号Ui是角频率为w的单位信号，滤波器的输出Uo(jw)=H(jw)表达了在单位信号输入情况下的输出信号随频率变化的关系，称为滤波器的频率特性函数，简称频率特性。

频率特性H(jw)是一个复函数，其幅值A(w)称为幅频特性，其幅角∮(w)表示输出信号的相位相对于输入信号相位的变化，称为相频特性。

1.3滤波器的主要特性指标
特征频率：
①通带截频fp=wp/(2p)为通带与过渡带边界点的频率，在该点信号增益下降到一个人为规定的下限。
②阻带截频fr=wr/(2p)为阻带与过渡带边界点的频率，在该点信号衰耗(增益的倒数)下降到一人为规定的下限。
③转折频率fc=wc/(2p)为信号功率衰减到1/2(约3dB)时的频率，在很多情况下，常以fc作为通带或阻带截频。
④固有频率f0=w0/(2p)为电路没有损耗时，滤波器的谐振频率，复杂电路往往有多个固有频率。

增益与衰耗
滤波器在通带内的增益并非常数。
①对低通滤波器通带增益Kp一般指w=0时的增益；高通指w→∞时的增益；带通则指中心频率处的增益。
②对带阻滤波器，应给出阻带衰耗，衰耗定义为增益的倒数。
③通带增益变化量△Kp指通带内各点增益的最大变化量，如果△Kp以dB为单位，则指增益dB值的变化量。
阻尼系数与品质因数
阻尼系数是表征滤波器对角频率为w0信号的阻尼作用，是滤波器中表示能量衰耗的一项指标。
阻尼系数的倒数称为品质因数，是评价带通与带阻滤波器频率选择特性的一个重要指标，Q= w0/△w。式中的△w为带通或带阻滤波器的3dB带宽， w0为中心频率，在很多情况下中心频率与固有频率相等。

灵敏度
滤波电路由许多元件构成，每个元件参数值的变化都会影响滤波器的性能。滤波器某一性能指标y对某一元件参数x变化的灵敏度记作Sxy，定义为： Sxy=(dy/y)/(dx/x)。
该灵敏度与测量仪器或电路系统灵敏度不是一个概念，该灵敏度越小，标志着电路容错能力越强，稳定性也越高。

群时延函数
当滤波器幅频特性满足设计要求时，为保证输出信号失真度不超过允许范围，对其相频特性∮(w)也应提出一定要求。在滤波器设计中，常用群时延函数d∮(w)/dw评价信号经滤波后相位失真程度。群时延函数d∮(w)/dw越接近常数，信号相位失真越小。

这次我们小组设计的200—2000赫兹语音滤波器（二阶有源带通滤波器）由一级二阶低通滤波电路和一级二阶高通滤波电路串联组成。可以构成带通滤波电路，条件是低通滤波器的截止角频率Wh大于高通滤波电路的截止角频率Wl。它能抑制低于200以下和高于2000的信号

第二章 实验目的

①掌握系统各功能模块的基本原理；
②培养基本掌握电路设计的基本思路和方法；
③提高学生对所学理论的知识的理解能力；
④提高和掘学生对所学知识的实际应用能力；
⑤提高学生的科技学做论文能力。

第三章 方案设计与论证

3.1第一步确定设计思路
考虑到实用性，带负载能力要比较强，要满足输入阻抗应足够高，输出阻抗应够小；要满足阻带衰减频率-40db/10倍频程，有两种考虑方案：一种是用一阶滤波器进行级联，另一种直接采用二阶滤波器，本实验中采用第二种。考虑到电路的稳定性及增益AV=4，应采用有源滤波器。集成有源滤波器有如下优点：1、在制作截止频率或中心频率较低的滤波器时，可以做到体积小、重量轻、成本低；2、由于采用集成电路，所以受环境条件（如机械振动、温度、湿度、化学因素等）的影响小；3、受电磁干扰的影响小；4、由于采用集成电路，可避免各滤波节之间的负载效应而使滤波器的设计和计算大简。综合以上原因我选择集成运放做语音滤波器。

3.2第二步确定设计方案
表1二阶低通滤波器设计表：

表2二阶高通

根据要求及设计表我选择的设计方案如下：低通部分选择压控电压源电路，增益2；高通部分选择压控电压源电路，增益为2；然后将两者级联。

3.3论证：
在满足低通带截止频率高于高通带截止频率的条件下，把相同元件压控电压滤波器的低通和高通起来可以实现带通滤波器的通带响应。用该方法构成的带通滤波器的通带较宽，通带截止频率易于调整，因此多用做测量信号噪声比(S／N)的音频带通滤波器。

第四章 元器件选取及计算，电路图设计
4.1元器件参数选取：
要选择一种集成运放，首先要考虑到它的通频带是否满足本设计的要求。uA741作为通用运放，能满足要求，部分参数如下：
对于低通部分：参数值为R1=5.63K,R2=11.25K,R3= R4=33.76K,由设计表上给出的计算公式得出C=C1=0.01uF（k=100/fc*c），在本设计中K=5。
对于高通部分：参数值为R5=9.105K,R6=6.955K, R7= R8=13.91K，由设计表上给出的计算公式得出C1=C3=0.1uF（k=100/fc*c），在本设计中K=5 。
4.2电路图设计
原理图如下：

图一为二阶有源低通滤波电路：
：

图二为二阶有源高通滤波电路：

工作原理：利用高通和低通级联来组成一个带通。

第五章 总原理图及元器件清单

5.1图三为总原理图：

5.2元器件清单：

元件序号
型号
主要参数
数量
备注
A1 A2
Ua741

2
运算放大器
R1

5.6kΩ
1
电阻
R2

11 kΩ
1
电阻
R3， R4

33 kΩ
1
电阻
R5

9.1 kΩ
1
电阻
R6

6.8 kΩ
1
电阻
R7,R8

13 kΩ
1
电阻
C,C1

0.01μF
1
电容
C2

0.1μF
2
电容

第六章 参考公式

fH=2000Hz fl=200Hz f=1/T
ω=2π/T=2πf
ω=1/RC R=1/ωc
Av=A1A2=4
K=100/fcC
（数据主要是查表得来的）

第七章 仿真测试与性能分析

二阶有源滤波器不用电感元件、有一定增益、重量轻、体积小和调试方便，可用在信息处理、数据传输和抑制干扰等方面,但因受运算放大器的频带限制，这类滤波器主要用于低频。
第一仿真测试失败，可能数据存在一定错误。经过修改数据仍然有小误差。由于时间问题仿真测试不再进行。本电路从理论上讲是可以的。可以抑制低于200赫兹以下和高于2000赫兹以上的频率。理论上性能是可靠的但从实际出发我们小组仍需努力的改进数据使得数据更加的精确。性能理论上达到了实验的要求。

仿真结果见附录。

第八章 结论

我们这次设计利用了二阶有源高通滤波电路和一个二阶有源低通滤波电路串联成所要求的语音滤波电路。在满足低通带截止频率高于高通带截止频率的条件下，把相同元件压控电压滤波器的低通和高通起来可以实现带通滤波器的通带响应。重要的是本次设计法对要求特性保持一致较宽范围内变化的情况比较适用，但必须使用精度和稳定性均较高的元件。
设计出来的语音滤波器基本实现了设计要求，截止频率
200Hz~2000Hz；电压增益基本符合；阻带衰减速率也基本上吻合设计要求。

第九章 心得体会

通过这次设计语音滤波器，小组收集到很多很好的资料，从而在构思上给了我们这组很大的帮助。在收集资料过程中，我们都很好的复习了以前学习过的有关知识，尤其是低通与高通滤波电路增进了了解。这次设计，根据课题的技术指标，基本上完成了设计的整体方案，并进行了一些有关数据计算。这是一个团体之间的合作，我们一起完成了语音滤波器的设计任务，总的来说是基本上实现了设计所要求的功能，但一定程度上还是有很多不足之处。这次设计也培养了我们的电路设计基本思路和方法，提高了对所学知识的理解能力和实际应用能力，也在一定程度上提高了我们写作论文的能力，了解了这一方向，能寻找出一些突破口，从而基本上达到了这次课程设计的目的。

第十章 参考文献

①《电子技术基础模拟部分》 第五版 ， 高等教育出版社；
华中科技大学电子技术课程组编；
②《电子线路设计·实验·测试》第三版，华中科技大学出版社；
谢自美主编。
③《电路与电子技术试验》第一版，中南大学出版社；曹才开等编著。
④《高频电子线路》 西安电子科技大学出版社；申功迈  钮文良编著
⑤《模拟电子技术》西安电子科技大学出版社；邬国扬主编

附 录
公式推导：
k1=k2=5
c1=c=100/k Fh=0.01μF c2=100/k fl=0.1μF
R1=5*1.126=5.63 kΩ R5=5*1.821=9.105 kΩ
R2=5*2.250=11.25 kΩ R6=5*1.391=6.955 kΩ
R3= R4=5*6.752=33.76 kΩ R7= R8=5*2.782=13.91 kΩ

由于在市场上买不到这样数值的电阻，所以取：
R1=5.6 kΩ R5=9.1 kΩ
R2=11 kΩ R6=6.8 kΩ
R3= R4=33 kΩ R7= R8=13 kΩ

仿真：
1仿真电路图：

幅频：
200hz时：

1000hz时：

2000hz时：

相频特性：
200hz：

1000hz：

2000hz：

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