模电课程设计语音滤波器

1、模拟电子技术课程设计说明书模拟电子技术课程设计说明书 语音滤波器语音滤波器 院 、 部： 电气与信息工程学院 学生姓名： 指导教师： 职称 专 业： 班 级： 完成时间： 0 课程设计任务书课程设计任务书（一）设计目的设计目的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（二）设计要求和技术指标1、技术指标：、技术指标：截止频率，阻带衰减速率为HzfH2000HzfL2004VA倍频10/40dB2、设计要求、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

2、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VA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 3、设计扩展要求、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（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

3、修改相应元件的值。4 4、设计用仪器设备、设计用仪器设备1（1）数字电压表（2）面包板或万能板（3）智能电工实验台5 5、参考书：、参考书：电子线路设计实验测试华中科技大学出版社6 6、设计用主要器件、设计用主要器件 741 两块、电阻电容若干（四）设计报告要求（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（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。2摘摘 要要 带通滤波器是一个通过信号而衰减或抑制高频信号的部件。理想滤波器电路的的频响在通带内具有一定的幅

4、值和线性相移，而在阻带内幅值应为零。有源滤波器是指由放大电路及 RC 网络构成的滤波器电路，它实际上是一种具有特定频率相应的放大器。滤波器的阶数越高，幅频特性的速率越快，但 RC 网络的阶数越多，元件参数计算越频繁，电路的调试愈加困难。本次设计的一个带通滤波器，将一级二阶低通滤波器与一级二阶高通滤波器级联。考虑到我们现在的知识水平，我们主要学会有源滤波器的应用，运算放大器和 RC 网络组成的有源滤波器具有许多独特的优点，与其他的滤波器的电路相比较，RC 电路相对简单很多，该电路主要采用了 LM741 运放，并且加了 RC 网络，加大幅频特性衰减斜率，以达到在给定的频段内，让信号无衰减的通过电路

5、，而通带外的其它信号将受到很大的衰减，从而提高滤波效率。关键词：带通滤波器;LM741 运放;RC 网络34ABSTRACTBand pass filter is a decrease or inhibit high-frequency signals through signal components. The ideal filter response with amplitude and linear in the passband phase shift, and within the stopband magnitude should be zero. The active filt

6、er is a filter circuit composed of amplifying circuit and the RC network, it is actually a kind of amplifier corresponding with specific frequency. Higher order filters, the amplitude-frequency characteristics of the faster rate, but the more the order of RC network, parameter calculation and more f

7、requent, circuit debugging more difficult. A bandpass filter in this design, a two order low pass filter with a two order high-pass filter cascade.Considering our knowledge level now, we mainly to learn the application of active filter, active filter composed of operational amplifiers and RC network

8、s have many unique advantages, circuit and other filter compared to the RC, relatively simple circuit, the circuit uses LM741 operational amplifier, and the RC network, increase the amplitude frequency characteristic attenuation slope, in order to achieve in a given frequency band, the circuit makes

9、 no signal attenuation, and other signal band will be greatly attenuated, thereby improving filtering efficiency.Key words：band pass filter；the LM741 operational amplifier；RC network5目 录第 1 章 概述. - 6- 1.1 滤波器功能及类型 .- 6- 1.2 滤波器的特性指标 .- 7- 1.3 实验目的.- 8 -第 2 章 滤波器的传输函数与性能参数.- 10- 2.1 滤波器的传输性能参数 .- 10

10、- 2.2 滤波器的设计方案选择 .-11- 2.3 原理电路参数计算 .- 11 - 2.3.1 对低通部分 .-11- 2.3.2 对高通部分 .- 14 - 2.4 原理电路设计选择 .- 16 -第 3 章 NI MULTISIM 仿真.- 17- 3.1 NIMultisim 仿真参数测试 .- 17 - 3.2 测量数据及分析 .- 19 -第 4 章 心得体会.- 21 -第 5 章 参考文献.- 21 -附录 A 电路原理图 .- 22 -附录 B 设计元件及工具清单 .- 23 -附录 C 布线图 .- 25 -附录 D 实物图 .-26-6第 1 章 概 述 1.1 滤波器

11、的功能和类型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

12、的无源滤波器、RC有源滤波器. 1.2 滤波器的主要特性指标滤波器的主要特性指标特征频率：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。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。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。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7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。对低通滤波器通带增益 Kp 一般指 w=0

13、 时的增益；高通指 w时的增益；带通则指中心频率处的增益。对带阻滤波器，应给出阻带衰耗，衰耗定义为增益的倒数。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

14、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。8这次我们小组设计的 2002000 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

15、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 1.3 实验目的（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；第 2 章 滤波器的传输函数与性能参数21 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

16、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 2-1 所示。9.图 2-1 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 2-2） 。表 2-1 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 2-1 所示. 图 2-2 巴特沃斯响应与切比雪夫响应比较（

17、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10 表 2-1 二阶 RC 滤波器的传输特性类 型传输函数性能参数低 通222)(cccvsQsAsA高 通222)(ccvsQssAsA带 通22)(oovsQssQAsA带 阻2222)()(ooovSsQssAAAv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，ffBWQo0 （当 BW10（） ，输入端到地要有一直流通路。在c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

18、Rp，减小失调。(1)由表 2-2 得到二阶压控电压源低通滤波器的电路,如图 2-6 所表示.(2)由图 25 得,f=2000Hz 时,取 C=0.01Uf,对应的参数 K=5,满足 K=100/fcC.(3)从表 2-2 中得，Av=2 时，电容 C1=C=0.01uF；K=1 时，电阻R1=1.126K，R2=2.250K,R3=6.752K,R4=6.752K。(4)将上述电阻值乘以参数 K=5,得R1=5.63K 取标称值 5.6K+30R2=11.25K 取标称值 11K+240R3=R4=33.75K 取标称值 33K+75014图 2-5 截止频率 fc 电容 C 及参数的对应

19、关系(a)截止频率 fc(1-102) （b）截止频率 fc(102-104) (c)截止频率 fc（104-106）15 图 2-6 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 23 得到二阶压控电压源高通滤波器电路,如图 27 所示.(2)由图 25 得到 fc=200HZ 时,C=0.1uF,对应的参数 K=5,满足 K=100/fcC.(3)由表 23 中得到,Av=2 时,R1=1.821K,R2=1.391K,R3=R4=2.782K (4)将上述电阻都乘以参数 K=5,得 R1=9.105K 取标称值 9.1K+5R2=6.955K 取标称值 6.9K+55R

20、3=R4=13.91K 取标称值 13K+91016表 2-3 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12121CCRRc12211CCRRcCRACRQvc2122)1 (1)2(1112CCCCRQc性能参数341RRAv1CCAv电路元件值电路元件值增益1268增益1268R11.1251.8213.1413.593R10.7500.9001.0231.072R22.2511.3910.8050.705R23.3765.62712.37923.634R3开路2.7820.9680.806C1C0. 5C0.2C0.1CR402.7

21、824.8385.640设计表电阻为参数 K=1 时的值，单位为K。电阻为参数 K=1 时的值，单位为 K。17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 27 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 26 和图 27 级联得到设计所要求的带通滤波器电路，如图 28 所示. 图 28 二阶压控电压源带通滤波器电路18 第 3 章 NI Multisim 仿真3.1 NIMultisim 仿真参数测试通过 Mul

22、tisim 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 3-1 输入函数信号图 3-2 波特图像19图 3-3 输入波形和与输出波形图 3-4 波特分析表一20图 3-5 波特分析表二32 测量数据及分析 截止频率截止频率fLfH测量值227Hz2kHz理论值 200Hz1.956kHz 幅频特性幅频特性输入信号200Hz640Hz1kHz2kHz测量值2.934.013.892.85理论值4.004.004.004.0021衰减速率衰减速率低频高频测量值-27.5dB/10倍频-29.4dB/10倍频理论值-40dB/10倍频-40dB/10倍频 综上所示，当 fc1.5KHZ 时，Av3.7，衰减速率为36.8dB/10 倍频。基本满足设计指标的要求。由于R/R、C/C 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。22第