语音滤波器设计.docx
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语音滤波器设计
长沙学院
课程设计说明书
题目
语音信号滤波器的设计
系（部）
电信系
专业（班级）
电气工程及其自动化
姓名
学号
指导教师
起止日期
2012.12.10-2012.12.16
设计任务
（一）设计目的
模拟电子技术课程设计是一门独立设课、有独立学分的实践性课程，同“模拟电子技术”理论讲授课程有密不可分的关系，起着相辅相成的作用，也是在“模拟电子技术实验”课的基础上，进一步深化的实践环节。
其主要目的是通过本课程，培养、启发学生的创造性思维，进一步理解电子系统的概念，掌握小型模拟电子系统的设计方法，掌握小型模拟系统的组装和调试技术，掌握查阅有关资料的技能，基本任务是设计一个小型模拟电子系统。
（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。
（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；
（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。
姓名
学号
专业
班级
设计题目
指导教师
指导教师意见：
评定等级：
教师签名：
日期：
答辩小组意见：
评定等级：
答辩小组长签名：
日期：
教研室意见：
教研室主任签名：
日期：
系（部）意见：
系主任签名：
日期：
说明
课程设计成绩分“优秀”、“良好”、“及格”、“不及格”四类；
长沙学院课程设计鉴定表
第1章绪论
1.1滤波器简介
凡是有能力进行信号处理的装置都可以称为滤波器。
在近代电信设备和各类控制系统中，滤波器应用极为广泛；在所有的电子部件中，使用最多，技术最为复杂的要算滤波器了。
滤波器的优劣直接决定产品的优劣，所以，对滤波器的研究和生产历来为各国所重视。
1917年美国和德国科学家分别发明了LC滤波器，次年导致了美国第一个多路复用系统的出现。
20世纪50年代无源滤波器日趋成熟。
自60年代起由于计算机技术、集成工艺和材料工业的发展，滤波器发展上了一个新台阶，并且朝着低功耗、高精度、小体积、多功能、稳定可靠和价廉方向努力，其中小体积、多功能、高精度、稳定可靠成为70年代以后的主攻方向。
导致RC有源滤波器、数字滤波器、开关电容滤波器和电荷转移器等各种滤波器的飞速发展，到70年代后期，上述几种滤波器的单片集成已被研制出来并得到应用。
80年代，致力于各类新型滤波器的研究，努力提高性能并逐渐扩大应用范围。
90年代至现在主要致力于把各类滤波器应用于各类产品的开发和研制。
当然，对滤波器本身的研究仍在不断进行。
我国广泛使用滤波器是50年代后期的事，当时主要用于话路滤波和报路滤波。
经过半个世纪的发展，我国滤波器在研制、生产和应用等方面已纳入国际发展步伐，但由于缺少专门研制机构，集成工艺和材料工业跟不上来，使得我国许多新型滤波器的研制应用与国际发展有一段距离。
在无线电通信、非电量及微弱信号检测、电视接收机、自动控制等电路中，所能接收到的信号通常都是很微弱的，且其中还湿杂有无用或有害的信号，这对电路的正常工作将会造成影响。
为了消除这种影响，就需要用滤波器，便有用信号频率能比较顺利地通过，而将无用及有害的信号滤掉，或让它们受到较大的衰减。
用电感器和电容器所组成的滤波器属无源滤波器，具有成本低、电路简单的特点。
按工作频率的范围，可分为低通滤波器、高通滤波器及带通滤波器。
低通滤波器只有低频信号能通过而高频信号不能通过;高通滤波器只有高频信号能通过而低频信号不能通过;带通滤波器只有某一个通频带范围内的信号能通过，而在此之外的其他频率的信号不能通过。
滤波器有各种不同的分类，一般有如下几种。
（1）按处理信号类型分类---按处理信号类型分类，可分为模拟滤波器和离散滤波器两大类。
其中模拟滤波器又可分为有源、无源、异类三个分类；离散滤波器又可分为数字、取样模拟、混合三个分类。
当然，每个分类又可继续分下去，总之，它们的分类可以形成一个树形结构。
实际上有些滤波器很难归于哪一类，例如开关电容滤波器既可属于取样模拟滤波器，又可属于混合滤波器，还可属于有源滤波器。
因此，我们不必苛求这种“精确”分类，只是让人们了解滤波器的大体类型，有个总体概念就行了。
（2）按选择物理量分类；按选择物理量分类，滤波器可分为频率选择、幅度选择、时间选择（例如PCM制中的话路信号）和信息选择（例如匹配滤波器）等四类滤波器。
（3）按频率通带范围分类；按频率通带范围分类，滤波器可分为低通、高通、带通、带阻、全通五个类别，而梳形滤波器属于带通和带阻滤波器，因为它有周期性的通带和阻带。
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；
第2章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2-1所示。
.
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
（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
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2-1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2-3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2-4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2-3压控电压源电路图2-4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2-3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2-4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-40dB/10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fc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2-2二阶低通滤波器（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2-2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2－5得,f=2000Hz时,取C=50nf,对应的参数K=1,满足K=100/fcC.
（3）从表2-2中得，Av=2时，电容C1=C=50nF；K=1时，电阻R1=1.126KΩ，R2=2.250KΩ,R3=6.752KΩ,R4=6.752KΩ。
图2-5截止频率fc电容C及参数Ｋ的对应关系
（a）截止频率fc（1-102）（b）截止频率fc（102-104）（c）截止频率fc（104-106）
图2-6截止频率为2KHZ的二阶低通滤波器
2.3.2对高通部分
（1）由表2－3得到二阶压控电压源高通滤波器电路,如图2－7所示.
（2）由图2－5得到fc=200HZ时,C=500nF,对应的参数K=1,满足K=100/fcC.
（3）由表2－3中得到,Av=2时,R1=1.821KΩ,R2=1.391KΩ,R3=R4=2.782KΩ.
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
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2－7截止频率为200HZ的二阶高通滤波器
2.4原理电路设计选择
将图2-6和图2-7级联得到设计所要求的带通滤波器电路，如图2-8所示.
图2－8二阶压控电压源带通滤波器电路
第3章NIMultisim仿真
3.1NIMultisim软件简介
NIMultisim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，NIMultisim是一个完整的集成化设计环境。
NIMultisim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。
NIMultisim软件绝对是电子学教学的首选软件工具。
3.2NIMultisim仿真参数测试
通过Multisim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。
用波特测试仪测试波形，如图2-9所示：
图2-9波特图形
观察波特测试仪上波形，在频率200HZ处，增益为9dB左右，如图3-0所示：
图3-0频率在200HZ处幅频特性曲线
观察波特测试仪上波形，在频率2000HZ处，增益为9dB左右，如图3-1所示：
图3-1频率在2000HZ处幅频特性曲线
观察波特测试仪上图形，在频率623.683hz处，增益为最大值为11.953dB.如图3-2：
图3-2频率在623HZ处幅频特性曲线
波形分析表如下：
输入频率为1khz，电压1v的信号时的输入输出波形如表2-4：
表2-4波形分析表
输入频率为10khz，电压1v的信号时的输入输出波形如表2-5：
表2-5波形分析表
波特图形分析表如下表2-6：
3．3测量数据及分析
截止频率
fL
fH
测量值
203.87Hz
2.05kHz
理论值
200Hz
2kHz
幅频特性
输入信号
200Hz
640Hz
1kHz
2kHz
测量值
9.028
11.953
11.775
9.02
理论值
4.00
4.00
4.00
4.00
衰减速率
低频
高频
测量值
-37.0dB/10倍频
-37.0dB/10倍频
理论值
-40dB/10倍频
-40dB/10倍频
3.4结论
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。
从设计结果可以看出，在频率200HZ和2KHZ处，增益均下降3dB左右，而最大增益Av=11.953dB,所以能够满足设计要求，该语音滤波器能够正常使用！
第4章结束语
经过一个星期的课程设计的摸索学习，我已经自己能制作一个语音滤波器器，这其中的兴奋是无法用言语表达的。
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，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，终于知道了如何操作。
刚开始我借来了一份语音滤波器器的电路原理图，但离实际应用差距较大，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，并且询问了兄弟班关于元器件的参数情况。
为下步实物连接打好基础。
通过此次摸电课程设计对语音滤波器的设计，加强了我对模拟电子技术这门课程的理解，对其应用有了一定的认识，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。
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。
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，我在算时会遇到很多问题，有时实在算不出来了就想放弃，但很快自己会意识到那是一种错误的想法，所以自己会给自己鼓劲继续往下进行，当算到最后时便会有很大的成就感，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。
第5章参考文献
【1】谢自美.电子线路设计·实验·测试.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.北京：
国防工业出版社，2004.
【3】康华光.电子技术基础（模拟部分）.高等教育出版社，2006.
【4】马建国.电子系统设计.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.中南大学出版社，2008.
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