模电-语音滤波器设计

模拟电路课程设计报告设计课题语音滤波器的设计

专业班级：电子科学与技术1201

学生姓名：

学号：120803039

指导教师：

设计时间：2013.12.30—2014.1.6

目录第一章概述

1.1滤波器的功能和类型

1.2滤波器的主要特性指标

第二章实验目的

第三章方案设计与论证

3.1总体分析

3.2方案一

3.3方案二

3.4论证

第四章单元电路设计与参数计算

4.1元器件参数选取

4.2电路图设计

第五章总原理图及元器件清单

5.1总原理图

5.2元器件清单

第六章参数公式

第七章仿真测试与性能分析

第八章结论

第九章参考文献

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。

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总体分析

语音滤波器是属于有源滤波器，有源滤波器实际上是一种具有特定频率响应的放大器。它是在运算放大器的基础上增加一些R、C等无源元件而构成的，主要由两部分电路组成，带通滤波和带阻滤波，带通滤波器用来通过语音信号，频带为20Hz到20KHz，再经过带阻

滤波器滤去50Hz 的工频干扰信号，并最终达到语音滤波的目的。

在此，有两种设计方案：一种是压控电压源电路设计，另一种是用无限增益多路反馈电路设计，下面分别具体介绍两种方案。

3.2方案一：压控电压源电路原理

有源带通滤波器（BPF ）和带阻滤波器（BEF ）

带通滤波器是由低通RC 环节和高通RC 环节组合而成的。要将高通的下限截止频率设置的小于低通的上限截止频率。反之则为带阻滤波器。

图1压控型二阶低通图2压控型二阶低通幅频特性

传递函数：

()Au s

()

1+[3-Aup(s)]sRC+(sRC)^2

Aup s

上式中只有当Aup （s ）小于3时，即分母中s 的一次项系数大于零，电路才能稳定工作，而不产生自激振荡。若令s=jw,f0=1/2Πrc,则电压放大倍数：

1-+Aup

Au f f fo fo

（）^2j(3-Aup)

若令Q=

13-Aup

，则f=fo 时，

有==3-Aup

Au Q Aup Aup

当2

Aup 大于，

图2所示是Q 值不同时的幅频特性，

当f ?fp 时，曲线按-40dB/十倍频下降。

图3二阶压控型高通图4 二阶压控型高通幅频特性

传递函数：

()Au s =

()

1+[3-Aup(s)]sRC+(sRC)^2

Aup s *（sRC ）^2

通带放大倍数：Aup=1+Rf/R1；截止频率：fp=1/2πRC ；品质因数：Q=13-Aup

根据设计要求要组成压控电压源带通滤波器，则选择上图中的低通滤波器和高通滤波器级联即可。

3.3方案二：无限增益多路反馈电路原理

无限增益多路反馈有源滤波器一般形式要求集成运放的开环增益大于60dB

图5压控二阶高通图6无限增益多路反馈二阶高通

传递函数：^21

223

()=()21+(1+2+3)+^21223

s R R C C Au s Aup s R s C C C s R R C C C C g

通带放大倍数： 1

up=-3

C A C ；

截止频率：fp=1/2π1223R R C C ；品质因数：1

=++232

R Q C C R （C1C2C3）

图7无限增益多路反馈二阶低通滤波器

在图7中，当f=0时，C1和C2均开路，故通带放大倍数： Aup=-Rf/R1 传递函数：()

(

111

1+22(++)+^212212Aup s Au s sC R Rf s C C R Rf

R R Rf

可得：

fo=1/2π121C C R Rf ，Q=（R1//R2//Rf ）

212

C R R C

3.4论证

压控电压源（VCVS ）电路，其中运放为同相输入，输入阻抗很高，输出阻抗很低，电路性能稳定，增益容易调节。

无限增益多路反馈（MFB ）电路，有倒相作用，使用元件较少，但增益调节对其性能参数会有影响。根据以上分析，本实验选择方案一。

第四章单元电路设计与参数计算

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

（1）原理图如下：

：

二阶低通有源滤波电路

二阶高通有源滤波电路

（2）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 2 电阻

R5 9.1 kΩ 1 电阻

R6 6.8 kΩ 1 电阻

R7,R8 13 kΩ 2 电阻

C,C1 0.01μF 2 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

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。

仿真电路图

幅频：

200Hz时：

1000Hz时

2000Hz时：

相频特性：200Hz

1000Hz

2000Hz：

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。

第九章参考文献

1、《电工电子实践指导》（第三版），王港元主编，江西科学技术出版社（2009）

2、《电子线路设计、实验、测试》（第四版），罗杰，谢自美主编，电子工业出版社（2009）

3、《电子技术课程设计指导》，彭介华主编，高等教育出版社（2000）

4、《模拟电子技术基础》（第四版）童诗白主编，高等教育出版社

5、《毕满清主编，电子技术实验与课程设计》机械工业出版社。

6、《用万用表检测电子元器件》，杜龙林编，辽宁科学技术出版社（2001）