语音滤波器课程设计

湖南工学院

课程设计说明书

课落款称：语音滤波器

专业名称：通信工程 学生班级： 学生姓名： 学生学号： 指导教师：雷美艳

课程设计任务书

设计时刻：

（一）设计目的

一、学习有源滤波电路的设计方式；

二、把握二阶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

一、技术指标：

截止频率fH2000Hz，fL200Hz，AV4，阻带衰减速度为40dB/10倍频

二、设计要求

（1） 设计一个能知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） 依照设计要求和技术指标设计好电路，选好元件及参数； （4） 在全能板或面包板或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AV和阻带衰减速度； （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

一、电路可采纳一级二阶低通与一级二阶高通滤波电路级联；

二、电路依照二阶滤波器（巴特沃斯响应）设计表设计，采纳压控电压源电路；

3、在测试进程中，假设某项指标误差较大，那么应依照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）面包板或全能板 （3）智能电工实验台

五、参考书：

《电子线路设计·实验·测试》华中科技大学出版社

六、设计用要紧器件

741两块、电阻电容假设干

（四）设计报告要求

一、选定设计方案；

二、拟出设计步骤，画出电路，分析并计算要紧元件参数值； 3、列出测试数据表格。

（五）设计总结

一、总结有源滤波器的设计方式和运用到的要紧知识点； 二、总结有源滤波器性能参数的测试方式。

目 录

第一章 概 述…………………………………………………5

滤波器的功能和类型 ……………………………………5 模拟滤波器的传递函数与频率特性 ……………………6 滤波器的要紧特性指标 …………………………………7 第二章 课程设计目的………………………………………………8 第三章 滤波器设计方案与论证……………………………………8

第一步确信设计思路………………………………………8 第二步确信设计方案………………………………………9 第四章 单元电路设计与参数计算………………………………12

元器件参数选取……………………………………………12 电路图设计…………………………………………………13 第五章 总原理图及元器件清单 ………………………………14

总原理图 …………………………………………………14 元器件清单 ………………………………………………14 第六章 参数公式 …………………………………………………15 第七章 仿真………………………………………………………15 第八章 测试结果及误差分析……………………………………16

测试结果……………………………………………………16 误差分析……………………………………………………18 第九章 结 论……………………………………………………20 第十章 心得体会…………………………………………………20 附录 ……………………………………………………………21

第一章 概 述

滤波器的功能和类型

滤波器其实确实是频率选择电路，可许诺部份频率的信号顺利通过，

而另一部份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；受到专门大衰减或完全被抑制的频率范围称阻带。关于低通滤波器，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，高通滤波器那么相反；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；事实上，通带和阻带间存在必然频率范围的过渡带。滤波器在近代电信设备和各类操纵系统中应用极为普遍。

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置系统，具有滤除不需要的信号和分离各类不同信号的功能。 类型：

按处置信号形式分：模拟滤波器和数字滤波器； 按功能分：低通、高通、带通、带阻；

按电路组成份：LC无源、RC无源、由特殊元件组成的无源滤波器、RC有源滤波器，RC电路中又有压控电压源电路和无穷增益多路反馈电路；

按传递函数的微分方程阶数分：一阶、二阶、高阶。

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。

关于任意复杂的滤波网络，都可分解为假设干简单的一阶与二阶滤波电路级联组成。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 二阶RC滤波器的传输函数

类型 低通 高通 带通 BW——带通、带阻滤波带阻

器的带宽 传输函数 性能参数 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 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。假设滤波器的输入信号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转变，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关于输入信号相位的转变，称为相频特性。

Av Av 0．707Av Av

（a） (b)

fc Av

(c) fc 图 滤波器的幅频特性曲线

（a）高通 （b）带通 （c）低通

一样来讲，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。经常使用的逼近方式是巴特沃斯最大平坦效应和切比夫雪等波动效应

滤波器的要紧特性指标

特点频率：

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，在很多情形下，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。

这次咱们小组设计的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。能够组成带通滤波电路，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 课程设计目的

①把握系统各功能模块的大体原理； ②熟悉电路设计的大体方式； ③锻炼学生理论与实践应用能力；

④培育对仪器的大体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

第一步确信设计思路

考虑到有效性，带负载能力要比较强，要知足输入阻抗应足够高，输出阻抗应够小。

依照设计要求，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，能够采纳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份，别离求出两部份电路元件参数，Av放大倍数也分成两部份Avl，Avh，

Av即两部份相乘， Av=4，咱们在设计电路时应先计算好电阻，电容值。

图 带通滤波器设计原理

低通滤波器 高通滤波器 带通滤波器 图 系统框图

第二步确信设计方案

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，因此所设计的低通滤波器的截止频率为2000Hz。

表 滤波器工作频率与电容取值的对应表

10~100 f(H) 10~ C（uF）

100~1k ~ （1~10）k ~ （10~100）k ~ 电路依照二阶滤波器（巴特沃斯响应）设计表设计，如下表

注：设计表的公式：K=（如带通、带组K=100/f0C）

由于低通滤波器采纳压控电压源电路比较容易实现，增益也专门好调，因此本次电路设计采纳压控电压源电路。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，因此所设计的高通滤波器的低边截止角频率为200Hz。

表 二阶高通滤波器（巴特沃斯）设计表

依照要求及设计表我选择的设计方案如下：低通部份选择压控电压源电路，增益2；高通部份选择压控电压源电路，增益为2；然后将二者级联。

第四章 元器件选取及计算，电路图设计

元器件参数选取： 要选择一种集成运放，第一要考虑到它的通频带是不是知足本设计的要求。uA741作为通用运放，能知足要求，部份参数如下： 关于低通部份：依照截止频率fH=2000Hz从表当选定必然电容C的标称值C=C1=，由公式：K=得K=5。K=1时的R同乘以5： K值大小 R1 R2 K=1 K=5 参数值为R1=,R2=,R3= R4= 高通部份：依照截止频率fL=200Hz从表当选定必然电容C的标称值C2=C2=，由公式：K=得K=5。 R3 R4 从图中能够查出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=,R6=, R7= R8=。 K值大小 R5 R6 R7 R8 K=1 K=5 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。 图为二阶有源低通滤波电路： ：

图为二阶有源高通滤波电路：

第五章 总原理图及元器件清单

总原理图

图总原理图

元器件清单：

元件序号 型号 A1 A2 Ua741 设计参数 标称值 误差 数量 2 备注 运算放大器 R1 R2 R3， R4 R5 R6 R7,R8 C,C1 C2 kΩ kΩ kΩ kΩ kΩ kΩ μF μF Ω 11 kΩ 33kΩ kΩ kΩ 13kΩ μF μF 1 1 1，1 1 1 1 1，1 2 电阻 电阻 电阻 电阻 电阻 电阻 电容 电容

第六章 参考公式

经查表的以下公式：

低通：Wc2=1/（R1×R2×C1×C）=×106 AVL=1+R4/R3=2 f=wc/2π=2000Hz 高通: Wc2=1/(R5×R6×C22) =×106 AVH=1+R8/R7=2 f=wc/2π=200Hz

fH=2000Hz fl=200Hz f=1/T ω=2π/T=2πf ω=1/RC R=1/ωc Av=A1A2=4 K=100/fcC

第七章 仿真

二阶有源滤波器不用电感元件、有必然增益、重量轻、体积小和调试方便，可用在信息处置、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，这种滤波器要紧用于低频。

多次仿真，多次修改数据，但仿真仍存在误差。此滤波器能够抑制低于200赫兹以下和高于2000赫兹以上的频率。理论上性能是靠得住的但从实际动身咱们小组仍需尽力的改良数据使得数据加倍的精准。性能理论上达到了实验的要求。

仿真电路图：

第八章 测试结果及误差分析

测试结果

幅频： 200hz时：

f=时，Av=，与理论值4×=相差，误差率为9%

1000hz时：

f=1KHz时，Av=，与理论值Av=4相差，误差率为%

2000hz时：

f=2KHz，Av=，与理论值4×=相差，误差率为3% 1000hz时：

相频特性： 200hz：

∮=°，理论值∮=+90°相差，误差率为3% 1000hz：

∮=°，与理论值相差∮=-45°相差°误差率为43%

2000hz：

∮=°，与理论值∮=-90°相差°，误差率为12%

误差分析：

1）对误差分析要做到精准，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，设计方式本身存在误差 信号频率f 输入信号 输出信号 理论Av 实测Av Av误差/误差率 20lg｜Av｜ 理论阻带衰减速率 实测阻带衰减速率 阻带衰减速率误差/误差率

20Hz * *5mv 0 -20dB 40dB/10频程 28dB/10频程 12/30% 下限截止 通带 频率 200Hz 1KHz * * 8% 8dB — — — — * 5* 4 10% * * 4 17% 上限截止 频率 2KHz 20KHz * * 15% 8 dB — — — — — — — — * *5mv 0 -28 dB 40dB/10频程 36dB/10频程 4/10% * * 4 24% 10 dB 11 dB 10 dB — — —

第九章 结论

咱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。在知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能够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维持一致较宽范围内转变的情形比较适用，但必需利用精度和稳固性均较高的元件。

设计出来的语音滤波器大体实现了设计要求，截止频率200Hz～2000Hz；电压增益大体符合；阻带衰减速度也大体上吻合设计要求。

第十章 心得体会

通过近一个月对理论的研究，设计思路的试探，咱们成功做成了语音滤波器，非常兴奋。以咱们目前把握的知识显然应付课程设计是很困难的，咱们小组搜集到很多专门好的资料，从设计原理到设计进程、思路都给咱们专门大的帮忙，同时也加深了对理论知识的明白得，尤其是低通与高通滤波电路增进了明白得。这次设计，依照课题的技术指标，在进行了数据计算，大体上完成了设计的整体方案。咱们集体协作，一起完成了语音滤波器的设计任务，总的来讲是大体上实现了设计所要求的功能，但必然程度上仍是有很多不足的地方。这次设计也培育了咱们的电路设计大体思路和方式，提高了咱们综合运用知识的能力和分析问题、解决问题的能力，培育咱们对专业知识的爱好，也在必然程度上提高了咱们写作论文的能力，从而大体上达到了这次课程设计的目的。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，可是实际做出来的板子可能也会没有波形显现，这就需要调试，调试又要从理论上找准修改的元器件的值，因此在这次理论与实践相结合的设计中，我收成颇多。

附 录

参考文献:

①《电子技术基础模拟部份》 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《电路与电子技术实验》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

公式推导：

k1=k2=5

c1=c=100/k Fh=μF c2=100/k fl=μF R1=5×= kΩ R5=5×= kΩ R2=5×= kΩ R6=5×= kΩ R3= R4=5×= kΩ R7= R8=5×= kΩ 由于在市场上买不到如此数值的电阻，因此取： R1= kΩ R5= kΩ R2=11 kΩ R6= kΩ R3= R4=33 kΩ R7= R8=13 kΩ

实物图及PCB图：

致谢：

这次课程设计得以成功，感激这一年来指导教师的悉心指导，帮忙我分析思路，开拓视野；感激雷教师在学习的帮忙，治学严谨，使我受益终身；感激校领导对咱们的关切。再次，向列位教师一真挚的谢意和高贵的敬意。