语音滤波器课程设计 王凯.docx
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语音滤波器课程设计王凯
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：
通信1103
学生姓名：
王凯
学生学号：
11401340336
指导教师：
雷美艳
设计时间：
2013.6.1-2013.6.28
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
《模拟电子技术基础》康华光主编高等教育出版社
《模拟电子技术》胡宴如主编高等教育出版社
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…………………………………7
第二章实验目的…………………………………………………8
第三章滤波器设计方案与论证……………………………………8
3.1第一步确定设计思路………………………………………8
3.2第二步确定设计方案………………………………………9
第四章单元电路设计与参数计算………………………………12
4.1元器件参数选取……………………………………………12
4.2电路图设计…………………………………………………13
第五章总原理图及元器件清单………………………………14
5.1总原理图…………………………………………………14
5.2元器件清单………………………………………………14
第六章参数公式…………………………………………………15
第七章仿真测试结果及数据分析………………………………16
第八章结论……………………………………………………19
第九章心得体会…………………………………………………19
第十章参考文献…………………………………………………20
附录……………………………………………………………21
第一章概述
1.1滤波器的功能和类型
滤波器其实就是频率选择电路，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。
对于低通滤波器，将低于某一频率wc（wwc）的信号完全衰减，这一频率wc称为截止频率，高通滤波器则相反；带通滤波器要求带通系统的幅频特性在带通内为常数，相频特性为通过载频w0点的直线。
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。
滤波器在近代电信设备和各类控制系统中应用极为广泛。
滤波器按功能可分为：
低通、带通、高通、带阻等。
功能：
滤波器是具有选频作用的电路或运算处理系统，具有滤除不需要的信号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，RC电路中又有压控电压源电路和无限增益多路反馈电路；
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
传递函数用来描述模拟滤波电路的特性。
传递函数是输出与输入信号电压或电流拉氏变换之比。
对于任意复杂的滤波网络，均可分解为若干简单的一阶与二阶滤波电路级联构成。
因为任意个线性网络级联后，总的传递函数等于各网络传递函数的乘积。
表1.2.1二阶RC滤波器的传输函数
类型
传输函数
性能参数
低通
Q——等效品质因数
——电压增益
——低、高通滤波器的截止角频率
——带阻塞、带阻滤波器的中心角频率
BW——带通、带阻滤波器的带宽
高通
带通
带阻
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）会随输入信号的不同频率而变化，称为滤波器的频率特性。
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。
Av
（a）（b）
fc
Av
0.707Av
（c）
图1.2.2滤波器的幅频特性曲线
（a）高通（b）带通（c）低通
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RC节数越多，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夫雪等波动效应
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。
这次我们小组设计的200—2000Hz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fH大于高通滤波电路的截止角频率fL。
它能抑制低于200Hz以下和高于2000Hz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熟悉电路设计的基本方法；
③锻炼学生理论与实践应用能力；
④培养对仪器的基本设计和说明书编写能力；
⑤提高团队协作能力；
第三章滤波器方案设计与论证
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。
根据设计要求，要求的带宽范围很宽，阻带衰减频率-40db/10倍频程带通滤波电路，可以采用一个高通和一个低通的滤波电路级联而成，将带通滤波电路看成两部分，分别求出两部分电路元件参数，Av放大倍数也分成两部分Avl，Avh，Av即两部分相乘，Av=4，我们在设计电路时应先计算好电阻，电容值。
图3.1.1带通滤波器设计原理
图3.1.2系统框图
3.2第二步确定设计方案
二阶低通滤波器
由滤波器的指标要求可知，带通范围是200Hz~2000Hz，所以所设计的低通滤波器的截止频率为2000Hz。
表3.2.1滤波器工作频率与电容取值的对应表
f（H）
10~100
100~1k
（1~10）k
（10~100）k
C（uF）
10~0.1
0.1~0.01
0.01~0.001
0.001~0.0001
电路根据二阶滤波器（巴特沃斯响应）设计表设计，如下表3.2.2
注：
设计表的公式：
K=
（如带通、带组K=100/f0C）
由于低通滤波器采用压控电压源电路比较容易实现，增益也很好调，所以本次电路设计采用压控电压源电路。
压控为同相输入接法，此滤波器输入阻抗很高，输出阻抗很低，滤波器相当于一个电压源。
二阶高通滤波器
由滤波器的指标要求可知，带通范围是200Hz~2000Hz，所以所设计的高通滤波器的低边截止角频率为200Hz。
表3.2.3二阶高通滤波器（巴特沃斯）设计表
根据要求及设计表设计方案如下：
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。
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：
根据截止频率fH=2000Hz从表3.2.1中选定一定电容C的标称值C=C1=0.01uF，由公式：
K=
得K=5。
K=1时的R同乘以5：
K值大小
K=1
K=5
R1
1.126K
5.63K
R2
2.250K
11.25K
R3
6.752K
33.76K
R4
6.752K
33.76K
参数值为R1=5.63K,R2=11.25K,R3=R4=33.76K
高通部分：
根据截止频率fL=200Hz从表3.2.1中选定一定电容C的标称值C2=C2=0.1uF，由公式：
K=
得K=5。
K值大小
K=1
K=5
R5
1.0821K
9.105K
R6
1.0391K
6.955K
R7
2.782K
13.91K
R8
2.782
13.91K
从图3.2.3中可以查出Av=2时对应的电阻值（K=1时），K=1时的R同乘以5：
参数值为R5=9.105K,R6=6.955K,R7=R8=13.91K。
4.2电路图设计
工作原理：
利用高通和低通级联来组成一个带通。
图4.2.1为二阶有源低通滤波电路：
：
图4.2.2为二阶有源高通滤波电路：
第五章总原理图及元器件清单
5.1总原理图
图5.1.1总原理图
5.2元器件清单：
元件序号
型号
设计参数
标称值
误差
数量
备注
A1A2
Ua741
2
运算放大器
R1
5.63kΩ
5.6kΩ
0.03
1
电阻
R2
11.25kΩ
11kΩ
0.25
1
电阻
R3，R4
33.76kΩ
33kΩ
0.76
1，1
电阻
R5
9.105kΩ
9.1kΩ
0.005
1
电阻
R6
6.955kΩ
6.8kΩ
0.155
1
电阻
R7,R8
13.91kΩ
13kΩ
0.91
1
电阻
C,C1
0.01μF
0.01μF
0.0
1，1
电容
C2
0.1μF
0.1μF
0.0
2
电容
第六章参考公式
经查表的下列公式：
低通：
Wc2=1/（R1×R2×C1×C）=157.88×106AVL=1+R4/R3=2f=wc/2π=2000Hz
高通:
Wc2=1/（R5×R6×C22）=1.579×106AVH=1+R8/R7=2f=wc/2π=200Hz
fH=2000Hzfl=200Hzf=1/T
ω=2π/T=2πf
ω=1/RCR=1/ωc
Av=A1A2=4
K=100/fcC
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。
仿真：
1仿真电路图：
幅频：
200hz时：
1000hz时：
2000hz时：
相频特性：
200hz：
1000hz：
2000hz：
2.误差分析
1）对误差分析要做到精确，全面。
2）本设计由于元器件选取参数与理论参数的不同而产生误差，加上人身误差，设计方法本身存在误差
电路结构
AV
fH
fL
理论值
实测值
误差
误差率
理论值
实测值
误差
误差率
理论值
实测值
误差
误差率
带通
4
200Hz2.57
1.43
35%
2000Hz
1978Hz
22
1.1%
200Hz
191.6Hz
8.4
4.2%
2KHz2.92
1.08
27%
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
通过对理论的研究，设计思路的摸索，我们成功做成了语音滤波器，无比兴奋。
以我们目前掌握的知识来应对课程设计是很困难的，我们小组收集到很多很多的资料，从设计原理到设计过程、思路都给我们很大的帮助，同时也加深了对理论知识的理解，尤其是低通与高通滤波电路增进了理解。
这次设计，根据课题的技术指标，在进行了数据计算，基本上完成了设计的整体方案。
我们团体协作，共同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，提高了我们综合运用知识的能力以及分析问题、解决问题的能力，更加强了团队之间的合作精神。
培养我们对专业知识的兴趣，这次基本上达到了课程设计的目的。
我也明白理论和实际是不同的两个环节，就比如，设计出来的电路在理论上是可行的，但是实际做出来的板子可能也会没有波形出现，这就需要调试，调试又要从理论上找准修改的元器件的值，所以在这次理论与实践相结合的设计中，我收益匪浅。
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/kFh=0.01μFc2=100/kfl=0.1μF
R1=5×1.126=5.63kΩR5=5×1.821=9.105kΩ
R2=5×2.250=11.25kΩR6=5×1.391=6.955kΩ
R3=R4=5×6.752=33.76kΩR7=R8=5×2.782=13.91kΩ
由于在市场上买不到这样数值的电阻，所以取：
R1=5.6kΩR5=9.1kΩ
R2=11kΩR6=6.8kΩ
R3=R4=33kΩR7=R8=13kΩ
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