语音滤波器设计李建喜.docx

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语音滤波器设计李建喜

湖南工学院

课程设计说明书

课题名称：

语音滤波器设计

学院：

电气与信息工程学院

专业名称：

电子信息工程

学生班级：

电子1203 班

设计人：

李建喜

学号：

**********

指导老师：

***

时间：

2014.05

湖南工学院

课程设计任务书

课程：

模拟电子技术

课程设计题目：

语音滤波器的设计

适用班级：

电子1203班

时间：

2014.05

********

课题：

语音滤波器的设计

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

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NI

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。

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：

曹才开，张丹等《电路与电子技术试验》中南大学出版社

康华光《模拟电子技术基础》高等教育出版社

6、设计用主要器件

741两块或747、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。

语音滤波器

电子1203李建喜

摘要：

滤波器是一种选频装置，可以使信号中特定的频率成分通过，而极大地衰减其它频率成分。

在测试装置中，利用滤波器的这种选频作用，可以滤除干扰噪声或进行频谱分析。

广义地讲，任何一种信息传输的通道（媒质）都可视为是一种滤波器。

因为，任何装置的响应特性都是激励频率的函数，都可用频域函数描述其传输特性。

因此，构成测试系统的任何一个环节，诸如机械系统、电气网络、仪器仪表甚至连接导线等等，都将在一定频率范围内，按其频域特性，对所通过的信号进行变换与处理。

本课题所述内容属于模拟滤波范围。

主要介绍模拟滤波器原理、种类、数学模型、主要参数、ＲＣ滤波器设计。

尽管数字滤波技术已得到广泛应用，但模拟滤波在自动检测、自动控制以及电子测量仪器中仍被广泛应用。

关键字：

方案选择；参数计算；EWB仿真；调试；

仿真

VoiceFilter

Abstract：

Frequency-selectivefilterisadevicethatcanmakethespecificfrequencycomponentsignalbygreatlyattenuatingtheotherfrequencycomponents.Inthetestapparatus,theeffectoffrequency-selectivefilterthatcanfilteroutnoiseorinterferencespectrumanalysis.

Broadlyspeaking,anykindofinformationtransmissionchannel（medium）canbeconsideredasafilter.Becausenoresponsecharacteristicsofthedeviceareafunctionoftheexcitationfrequency,thefrequency-domainfunctionsareusedtodescribethetransmissioncharacteristics.Therefore,constituteapartofanytestsystem,suchasmechanicalsystems,electricalnetworks,instrumentationandevenconnectingwires,etc.,willbewithinacertainfrequencyrange,theirfrequencydomaincharacteristicsofthesignalsaretransformedandprocessedthrough.

Thetopicofthecontentbelongstotheanalogfilterrange.Introducestheprincipleofanalogfilters,types,mathematicalmodel,themainparameters,RCfilterdesign.Althoughdigitalfilteringtechniqueshavebeenwidelyused,buttheanalogfilterintheautomaticdetection,automaticcontrolandelectronicmeasuringinstrumentsarestillwidelyused.

Keywords:

Programselection,parametercalculation,EWBsimulation,debugging,

Simulation.

1绪论

1.1滤波器简介

滤波器是一种对信号有处理作用的器件或电路。

随着电子市场的不断发展滤波器也越来越被广泛生产和使用，滤波器（filter）是指减少或消除谐波对电力系统影响的电气部件。

滤波器是一种用来消除干扰杂讯的器件，将输入或输出经过滤波而得到纯净的电源。

滤波器主要分为有源滤波器和无源滤波器。

主要作用是让有用信号尽可能无衰减的通过，对无用信号尽可能大的反射。

滤波器一般有两个端口，一个输入信号、一个输出信号，利用这个特性可以选通通过滤波器的一个方波群或复合噪波，而得到一个特定频率的正弦波。

滤波器的功能就是允许某一部分频率的信号顺利的通过，而另外一部分频率的信号则受到较大的抑制，它实质上是一个选频电路。

滤波器中，把信号能够通过的频率范围，称为通频带或通带；反之，信号受到很大衰减或完全被抑制的频率范围称为阻带；通带和阻带之间的分界频率称为截止频率；滤波器是由电感器和电容器构成的网路，可使混合的交直流电流分开。

电源整流器中，即借助此网路滤净脉动直流中的涟波，而获得比较纯净的直流输出。

最基本的滤波器，是由一个电容器和一个电感器构成，称为L型滤波。

所有各型的滤波器，都是集合L型单节滤波器而成。

基本单节式滤波器由一个串联臂及一个并联臂所组成，串联臂为电感器，并联臂为电容器。

在电源及声频电路中之滤波器，最通用者为L型及π型两种。

就L型单节滤波器而言，其电感抗XL与电容抗XC，对任一频率为一常数，其关系为XL·XC=K2。

故L型滤波器又称为K常数滤波器。

倘若一滤波器的构成部分，较K常数型具有较尖锐的截止频率（即对频率范围选择性强），而同时对此截止频率以外的其他频率只有较小的衰减率者，称为m常数滤波器。

所谓截止频率，亦即与滤波器有尖锐谐振的频率。

通带与带阻滤波器都是m常数滤波器，m为截止频率与被衰减的其他频率之衰减比的函数。

每一m常数滤波器的阻抗与K常数滤波器之间的关系，均由常数m决定，此常数介于0～1之间。

当m接近零值时，截止频率的尖锐度增高，但对于截止频的倍频之衰减率将随着而减小。

最合于实用的m值为0.6。

至于那一频率需被截止，可调节共振臂以决定之。

m常数滤波器对截止频率的衰减度，决定于共振臂的有效Q值之大小。

若达K常数及m常数滤波器组成级联电路，可获得尖锐的滤波作用及良好的频率衰减。

1.2本人工作

（1）了解滤波器的基本电路的性质与基本性能；

（2）选定语音滤波器的设计电路及基本元器件的系数及选定；

（3）运用仿真软件对设计电路进行仿真测试，并对相关系数进行误差分析，找出误差原因，并进行改进；

2滤波器的传输函数与性能参数

2．1滤波器的传输性能参数

由RC元件与运算放大器组成的滤波器称为RC有源滤波器。

其功能是让一定频率范围内的信号通过，抑制或急剧衰减此频率范围以外的信号。

可用在信息处理、数据传输、抑制干扰等方面，但因受运算放大器频带限制，这类滤波器主要用于低频范围。

根据对频率范围的选择的不同，可分为低通、高通、帯通与带阻等四种滤波器，它们的幅频特性如图1所示。

.

图1滤波器的幅频特性

（a）低通，（b）高通，（c）带通，（d）带阻。

一般来说，滤波器的幅频特性越好，其相频特性越差，反之亦然。

滤波器的阶数n越高，幅频特性衰减的速率越快，但RC节数越多，元件参数计算越繁琐，电路调试越困难。

常用的逼近方法是巴特沃斯最大平坦效应和切比雪夫等波动响应（如图2）。

表1列出了二阶RC有源滤波器的传输函数,它们的幅频特性如图2所示.

图2巴特沃斯响应与切比雪夫响应比较

（a）巴特沃斯幅频特性（b）巴特沃斯相频特性

（c）切比雪夫幅频特性（d）切比雪夫相频特性

表1二阶RC滤波器的传输特性

类型

传输函数

性能参数

低通

Av—通带内的电压增益

Wc—低、高通滤波器的中心角频

Q—品质因素，

（当BW<

BW—带通、带阻滤波器的宽度

高通

带通

带阻

实现表1所示传输函数的常用电路有电压控制电压源电路和无限增益多路反馈电路。

图3所示电路为压控电压源电路，其中运算放大器为同相输入接法，因此滤波器的输入阻抗很高，输出阻抗很低，滤波器相当于一个电压源，故称为电压控制电压源电路。

图4所示电路为其中运算放大器为反相输入接法，由于放大器的开环增益为无限大，反相输入端可视为虚地，输出端通过C2、R3形成两条反馈支路，故称为无限增益多路反馈电路。

图3压控电压源电路图4无限增益多路反馈电路

2.2滤波器的设计方案选择

技术指标截止频率

，

，

，阻带衰减速率为

。

图3是二阶压控电压源低通滤波器的电路，其传输函数的表达式为

（2-1）

（2-2）

（2-3）

（2-4）

与式4低通滤波器传输函数的通用表达式相比较，可得滤波器性能参数的表达式为

（2-5）

（2-6）

（2-7）

（2-8）

根据设计要求，要求的带宽范围很宽，其阻带的衰减速率为

倍频程，则采用一级二阶高通滤波器与一级二阶低通滤波器想级联，组成一个二阶带通滤波器。

将带通滤波电路看成两部分，分别求出两部分的电路元件参数；Av所放大的倍数可以同样分成两部分（各放大两倍），所以每部分的Av都等于2；相对应的

大的显然为低通的截止频率。

2.3原理电路参数计算

2.3.1对低通部分

表5二阶低通滤波器（巴特沃斯响应）设计表

压控电压源（VCVS）电路

无限增益多路反馈（MFB）电路

电路形式

性能参数

设计表

电路元件值

电路元件值

增益

1

2

6

8

增益

1

2

6

8

R1

1.422

1.126

0.617

0.521

R1

3.111

2.565

1.697

1.625

R2

5.399

2.250

2.051

2.429

R2

3.111

5.130

10.180

16.252

R3

开路

6.752

3.203

3.372

R3

4.072

3.292

4.977

4.723

R4

0

6.752

16.012

23.602

C1

0.2C

0.15C

0.05C

0.033C

C1

0.33C

C

2C

2Ｃ

电阻为参数K=1时的值，单位为KΩ。

电阻为参数K=1时的值，单位为KΩ。

应用说明

增益容易调整，输入阻抗高，输出阻抗低。

运放R1>10（Ｒ１＋Ｒ２），输入端到地要有一直流通路。

在ｗc处，运放的开环增益至少应是滤波器增益的50倍。

有倒相作用，输出阻抗低。

运放的Ｒ１＞10（R3+R1//R2）,输入端到地的直流通路已由R2和R3完成。

同相端可接电阻Rp，减小失调。

（1）由表2得到二阶压控电压源低通滤波器的电路,如图6所表示.

（2）由图5得,f=2000Hz时,取C=0.01Uf,对应的参数K=5,满足K=

.

（3）从表2中得，Av=2时，电容C1=C=0.01uF；K=1时，电阻R1=1.126KΩ，R2=2.250KΩ,R3=6.752KΩ,R4=6.752KΩ。

（4）将上述电阻值乘以参数K=5,得

R1=5.63KΩ取标称值5.6KΩ+30Ω

R2=11.25KΩ取标称值11KΩ+240Ω

R3=R4=33.75KΩ取标称值33KΩ+750Ω

图6截止频率

电容C及参数Ｋ的对应关系

（a）截止频率

（1-102）（b）截止频率

（102-104）（c）截止频率

（104-106）

图7二阶压控电压源低通滤波器的电路

2.3.2对高通部分

（1）由表3得到二阶压控电压源高通滤波器电路,如图7所示.

（2）由图5得到

=200HZ时,C=0.1uF,对应的参数K=5,满足K=

.

（3）由表3中得到,Av=2时,R1=1.821KΩ,R2=1.391KΩ,R3=R4=2.782KΩ

（4）将上述电阻都乘以参数K=5,得

R1=9.105KΩ取标称值9.1KΩ+5Ω

R2=6.955KΩ取标称值6.9KΩ+55Ω

R3=R4=13.91KΩ取标称值13KΩ+910Ω

表8二阶高通滤波器（巴特沃响应）设计

压控电压源（VCVS）电路

无限增益多路反馈（MFB）电路

电路形式

性能参数

设计表

电路元件值

电路元件值

增益

1

2

6

8

增益

1

2

6

8

R1

1.125

1.821

3.141

3.593

R1

0.750

0.900

1.023

1.072

R2

2.251

1.391

0.805

0.705

R2

3.376

5.627

12.379

23.634

R3

开路

2.782

0.968

0.806

C1

C

0.5C

0.2C

0.1C

R4

0

2.782

4.838

5.640

电阻为参数K=1时的值，单位为KΩ。

电阻为参数K=1时的值，单位为KΩ。

应用说明

要求运放R1大于10R，

R3R4的选取要考虑对失调的影响，

在wc处，运放的开环增益Av0至少是滤波器增益的50倍。

同相端接等于R2的电阻可减小失调，微调C或C!

对AV实现调整。

图9二阶压控电压源高通滤波器电路

2.4原理电路设计选择

将图6和图7级联得到设计所要求的带通滤波器电路，如图10所示.

图10二阶压控电压源带通滤波器电路

3

仿真

3.1

软件简介

软件是一个专门用于电子电路仿真与设计的EDA工具软件。

作为Windows下运行的个人桌面电子设计工具,

是一个完整的集成化设计环境。

计算机仿真与虚拟仪器技术可以很好地解决理论教学与实际动手实验相脱节的这一问题。

学员可以很方便地把刚刚学到的理论知识用计算机仿真真实的再现出来，并且可以用虚拟仪器技术创造出真正属于自己的仪表。

软件绝对是电子学教学的首选软件工具。

3.2

仿真参数测试

通过

进行实验调整、测量滤波器的性能参数及幅频特性得到下面的图。

图11输入函数信号

图12波特图像

图13输入波形和与输出波形

图14波特分析表一

图15波特分析表二

3．3测量数据及分析：

截止频率

测量值

210Hz

2kHz

理论值

200Hz

2kHz

幅频特性

输入信号

200Hz

640Hz

1kHz

2kHz

测量值

2.93

4.01

3.89

2.85

理论值

4.00

4.00

4.00

4.00

衰减速率

低频

高频

测量值

倍频

倍频

理论值

倍频

倍频

综上所示，当fc＝1.5KHZ时，Av＝3.7，衰减速率为

倍频。

基本满足设计指标的要求。

由于

、

对Wc的影响较大、人为因数以及系统误差，所以实验参数与设计表中的关系式之间存在较大误差。

结束语

时间对于真正使用它的人来说就如流水一般消失的很快，通过这将近一个月的努力，我已经可以成功的在电脑上模拟出语音滤波器的工作原理了。

在这将近一个月中，我从实践中获得了许多知识，获得了许多课本上得不到的知识。

 学习模电课程设计这段时间也是我们一学期最忙的日子，不仅面临着期末考试，而且中间还有一些其他科目的实验，这样庞大的任务对我们来说，显得很重。

相关知识缺乏给学习带来很大困难，为了尽快掌握它的用法，我照着原理图学习视频一步一步做，终于我在一步一步的实践中获得了正确模拟的方法。

刚开始我借来了一份语音滤波器器的电路原理图，但离实际应用差距相去甚远，有些器件很难找到，后来到网上搜索了一下相关内容，顺便到学校图书馆借相关书籍，经过不断比较与讨论，最终敲定了语音滤波器的电路原理图，并且询问了组员的相关设计的情况，为解下来的模拟仿真奠定了坚实的基础。

此次模拟电子技术课程设计，让我懂得了实践的重要性。

即使课本知识掌握的很好，如果不会综合运用，也是一些支离破碎的无用的知识，而如果能够运用而实际动手能力很差，理论与实践结合不起来，学得再好也没用。

这次课程设计恰好是将课本知识与的巩固与综合运用结合起来，再加上实际动手能力的培养三者结合起来的。

一方面，它加深与巩固了所学的各章节的理论，并将其综合运用，提高了我们综合运用知识的能力；另一方面，培养了我们对专业知识学习的兴趣。

课程设计中出现了很多问题。

比如说设计原理图时，必须懂得语音滤波器的工作原理。

电路设计过程及参数确定比较烦琐，我在模拟电路时遇到了很多困难，特别是连接好了电路图，而波特仪总是不显示图形，这对我的一开始的打击很重，但是我没有很快的就放弃而是请教了多名组员帮助我找出错误的来源，终于在众人的努力下，错误最终被排除，模拟终于见到了成效，那一刻的我们是高兴地，感觉再多的累也是值得的。

这一来我们会有很大的成就感，这强烈的激起了我学习的兴趣，我想这次课程设计对我以后的专业课程的学习将有很大帮助。

参考文献

[1]谢自美,电子线路设计·实验·测试[M]武汉：

华中科技大学出版社，2006.

[2]戴伏生,基础电子电路设计与实践[M]北京：

国防工业出版社，2004.

[3]康华光,电子技术基础（模拟部分）[M]高等教育出版社，2006.

[4]马建国,电子系统设计[M]北京：

高等教育出版社，2004.

[5]孙胜麟、郭照南,电子技术基础实验与仿真[M]中南大学出版社，2008.

[6]曹才开，模拟电子电路[M]清华大学出版社，2007.

附录A电路原理图

附录B设计元件及工具清单

元器件

元器件

数量

大小

芯片

2

LM741

电阻

8

1个5.6kΩ、1个6.9kΩ、1个11.2kΩ、2个13.9kΩ、1个9.1KΩ、2个33.7kΩ

电容

4

2个0.1μF；2个0.01μF

万能板

1

其他

导线若干

实验设备

名称

数量

函数信号发生器

1

示波器

1

万用表

1

元件、万能板

1

工具清单

尖嘴钳、斜口钳、镊子、刀子；烙铁、烙铁架,松香;万用表。