模電語音濾波器課程設(shè)計

1、模擬電子技術(shù)課程設(shè)計說明書語音濾波器 學(xué) 院： 電氣與信息工程學(xué)院 學(xué)生姓名： 朱如凱 指導(dǎo)教師： 雷美艷 職稱 副教授 專 業(yè)： 電氣工程及其自動化 班 級： 電氣本1501班 學(xué) 號：成時間： 2017.5.102017.6.6 課程設(shè)計評定意見指導(dǎo)老師評閱意見指導(dǎo)老師簽字：指導(dǎo)老師評定成績教研室意見教研室主任簽字：設(shè)計任務(wù)書指導(dǎo)教師雷美艷學(xué)生姓名朱如凱專業(yè)電氣工程及其自動化班級電氣本1501學(xué)題名稱語音濾波器內(nèi)容及任務(wù)一、設(shè)計任務(wù) 設(shè)計一語音通濾波器,截止頻率fL=300HZ，fH=3000HZ，通帶內(nèi)增益10倍，阻帶衰減速率為-40d

2、B/10f。二、設(shè)計內(nèi)容1、電路設(shè)計方案比較；2、電路參數(shù)分析計算和選擇；3、單元電路設(shè)計并進行分析；4、實物制作；5、系統(tǒng)調(diào)試（使用的儀器、測試數(shù)據(jù)表）；6、撰寫設(shè)計報告。擬達到的要求或技術(shù)指標(biāo)1、 截止頻率fL=300HZ，fH=3000HZ；2、 通帶內(nèi)增益10倍，阻帶衰減速率為-40dB/10f。 進度安排 起止日期工作內(nèi)容2017年5月12日5月16日查閱資料、分析理論數(shù)據(jù)2017年5月17日5月20日電腦仿真修正元器件參數(shù)2017年5月22日5月26日用AD軟件設(shè)計原理圖和PCB圖2017年5月27日5月30日制作實物作品、測試2017年5月31日6月3日書寫說明書、分析誤差原因主

3、要參考資 料1 康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)（模擬部分，第五版）M.北京：高等教育出版社，2006.4855202 謝自美.電子線路設(shè)計實驗測試M(第三版)武漢：華中科技大學(xué)出版社2005.2636 3 邱光源.電路M.第5版.北京:高等教育出版社 ,2002.125204 4 曹才開，張丹，羅雪蓮，等.電路與電子技術(shù)實驗M.湖南：中南大學(xué)出版社，2009.156158，141146，287293 5 熊幸明，曹才開，王新輝.電工電子實訓(xùn)教程M.北京：清華大學(xué)出版社，2007. 3441,283300指導(dǎo)教師意見簽名： 年 月 日教研室意見簽名： 年 月 日摘 要在有源濾波器中, 帶通有源濾波器是最常

4、用的電子線路。本文我們主要介紹一種二階帶通濾波器：二階壓控電壓源帶通濾波電路。語音濾波器通過低通、高通和負(fù)反饋電路組成的。電阻和電容組成濾波系統(tǒng)，而運算放大器和電阻組成放大系統(tǒng)。從而實現(xiàn)截止頻率fL=300HZ，fH=3000HZ；通帶內(nèi)增益10倍，阻帶衰減速率為-40dB/10f。這里的運算放大器我們常用741集成芯片實現(xiàn)。關(guān)鍵字：二階有源帶通濾波器；通帶增益；截止頻率；衰減速率。Abstract In active filter, active bandpass filter is the most commonly used electronic circuit. In this pap

5、er, we introduce a two order band-passfilter: two order voltage controlled voltage source band-pass filtercircuit. The voice filter through a low pass high pass and negativefeedback circuit. Resistance and capacitance filter system, and operational amplifier and a resistor amplifier system. In order

6、 to achieve the cutoff frequency fL=300HZ, fH=3000HZ; 10 times pass band gain, stopband attenuation rate of operational amplifier -40dB/10f. here we used 741 integrated chip. Keywords: two order active band pass filter; passband gain; cut-offfrequency; attenuation rate目 錄緒論31 方案設(shè)計41.1 方案選擇41.1.1直流穩(wěn)壓

7、電源方案選擇41.1.2語音濾波器方案選擇42 濾波器的傳輸函數(shù)與性能參數(shù)62.1 RC有源濾波器的幅頻特性62.2二階RC濾波器的傳輸函數(shù)73 電路設(shè)計93.1直流穩(wěn)壓電源設(shè)計93.1.1電源變壓器93.1.2 整流電路93.1.3濾波電路103.1.4 穩(wěn)壓電路的選擇103.2 語音濾波器的設(shè)計113.2.1 設(shè)計說明113.2.2電路設(shè)計113.2.3論證 143.3整體電路設(shè)計143.3.1直流穩(wěn)壓電源整體電路143.3.2語音濾波器電路153.4 電路仿真153.4.1 直流穩(wěn)壓源仿真153.4.2 語音濾波器仿真164 安裝與調(diào)試184.1 直流穩(wěn)壓電源的調(diào)試184.1.1輸出電壓

8、的測量184.1.2穩(wěn)壓系數(shù)的測量184.1.3紋波電壓測量194.2 語音濾波器的調(diào)試與分析204.2.1 調(diào)試與分析204.2.2 實物數(shù)據(jù)記載與處理20參考文獻23致 謝24附錄25附錄A 原理圖25附錄B PCB圖26附錄C 實物圖27附錄D 語音濾波器元器件清單28附錄E 直流穩(wěn)壓電源元器件清單29 緒論在無線電通信、非電量及微弱信號檢測、電視接收機、自動控制等電路中，所能接收到的信號通常都是很微弱的，且其中還濕雜有無用或有害的信號，這對電路的正常工作將會造成影響。為了消除這種影響，就需要用濾波器，便有用信號頻率能比較順利地通過，而將無用及有害的信號濾掉，或讓它們受到較大的衰減。用電

9、感器和電容器所組成的濾波器屬無源濾波器，具有成本低、電路簡單的特點。按工作頻率的范圍，可分為低通濾波器、高通濾波器、帶阻濾波器及帶通濾波器。低通濾波器只有低頻信號能通過而高頻信號不能通過;高通濾波器只有高頻信號能通過而低頻信號不能通過;帶阻濾波器只有某一個通頻帶范圍內(nèi)不能通過，其他都能通過；帶通濾波器只有某一個通頻帶范圍內(nèi)的信號能通過，而在此之外的其他頻率的信號不能通過。1 方案設(shè)計1.1 方案選擇1.1.1直流穩(wěn)壓電源方案選擇 方案一： 整體框圖如圖1-1,晶體管串聯(lián)式直流穩(wěn)壓電路。交流電壓經(jīng)整流濾波后,得到平滑的直流電壓,作為穩(wěn)壓電路的輸入電源從輸入。同時運用了比較放大電路,它的核心是調(diào)整

10、管,輸出電壓的穩(wěn)定管的壓降相應(yīng)改變,使輸出電壓保持穩(wěn)定。穩(wěn)壓電路整流電路變壓器變壓 輸出電壓比較反饋取樣電壓圖1-1 直流穩(wěn)壓電源方案一設(shè)計框圖可調(diào)式集成穩(wěn)壓器 方案二：如圖1-2所示，方案采用三端可調(diào)集成穩(wěn)壓器電路。它采用輸出電壓可調(diào)且內(nèi)部有過載保護的三端集成穩(wěn)壓器，輸出電壓調(diào)整范圍寬，此穩(wěn)壓器的基準(zhǔn)電壓是1.25V，而要求電壓從0V起連續(xù)可調(diào)，因此需要設(shè)計電壓補償電路才可實現(xiàn)輸出。電壓補償電路整流濾波電路輸出電壓圖1-2 直流穩(wěn)壓電源方案二設(shè)計框圖 方案一雖然電路比較簡單，成本較低，但精度達不到設(shè)計要求，方案二通過引入三端集成穩(wěn)壓器，大大提高了輸出精度，故采用第二種設(shè)計方案。1.1.2語音

11、濾波器方案選擇方案一直接由一個帶通濾波電路實現(xiàn)設(shè)計要求。方案二它由一個低通和一個高通濾波電路組成一個帶通濾波器。從而實現(xiàn)一定頻率內(nèi)導(dǎo)通。倆個方案設(shè)計大致相同。設(shè)計框圖可以共用，如圖1-3所示。輸入信號 帶通電路反饋電路輸出信號圖1-3 語音濾波器設(shè)計框圖框圖作用如下：帶通電路：一定頻率范圍內(nèi)導(dǎo)通。反饋電路：提供合適的電壓增益。經(jīng)過對倆種設(shè)計方案進行比較，出于對技術(shù)指標(biāo)的實現(xiàn)，本次設(shè)計選擇方案二。 2 濾波器的傳輸函數(shù)與性能參數(shù)2.1 RC有源濾波器的幅頻特性 由RC元件與運算放大器組成的濾波器稱為RC有源濾波器。其功能是讓一定頻率范圍內(nèi)的信號通過，抑制或急劇衰減此范圍以外得信號?？捎迷谛畔⑻幚?/p>

12、、數(shù)據(jù)傳輸、抑制干擾等方面。但因受運算放大器頻帶限制，這類濾波器主要用于低頻范圍。根據(jù)對頻率范圍的選擇不同，可分為低通、高通、帶通與帶阻等四種濾波器。它們的幅頻特性如圖2-1所示。具有理想的幅頻特性的濾波器是很難實現(xiàn)的。只能用實際的濾波器的幅頻特性去逼近理想的。常用的逼近方法是巴特沃斯效應(yīng)。 在不允許帶內(nèi)有紋波的應(yīng)用中，采用巴特沃斯響應(yīng)的濾波器較好。如果給定階數(shù)n和帶內(nèi)允許的偏差，采用切比雪夫響應(yīng)的濾波器較好。因其阻帶衰減速率比巴特沃斯響應(yīng)的要大的多，但切比雪夫濾波器的相頻特性比巴特沃斯的要差。如圖2-2所示。 一般來說，濾波器的幅頻特性越好，其相頻特性越差，反之亦然。濾波器的階數(shù)n越高，幅頻

13、特性衰減的速率越快。但RC網(wǎng)絡(luò)的節(jié)數(shù)越多，元件參數(shù)計算越繁瑣，電路調(diào)試越困難。因為任何高階的濾波器均可以用較低階的濾波器級聯(lián)實現(xiàn)。2.2二階RC濾波器的傳輸函數(shù) 實現(xiàn)表2-1所示傳輸函數(shù)的常數(shù)電路有電壓控制電壓源（VCVS）電路和無限增益多路反饋（MFB）電路。壓控電壓源電路，其中運算放大器為同相輸入接法，因此濾波器的輸入阻抗很低，濾波器相當(dāng)于一個電壓源。故稱這種電路為電壓控制電壓源電路。其優(yōu)點是電路性能穩(wěn)定，增益容易調(diào)節(jié)。無限增益多路反饋電路，其中運算放大器為反相輸入接法，由于放大器的開環(huán)增益為無限大，反相輸入端可視為虛地，輸出通過C2、R3形成兩條反饋支路。故稱這種電路為無限增益多路反饋電

14、路。其優(yōu)點是電路有倒相作用，使用元件較少。但增益調(diào)節(jié)不太方便，對其它性能參數(shù)會有影響。其應(yīng)用范圍比VCVS電路要少。表2-1二階RC濾波器的傳輸函數(shù)類型傳輸函數(shù)性能參數(shù)低通通帶內(nèi)的電壓增益低、高通濾波器的截至角頻率帶通、帶阻濾波器的中心角頻率Q品質(zhì)因數(shù)高通帶通帶阻3 電路設(shè)計3.1直流穩(wěn)壓電源設(shè)計3.1.1電源變壓器 變壓器是變換交流電壓、電流和阻抗的器件，當(dāng)初級線圈中通有交流電流時，鐵芯（或磁芯）中便產(chǎn)生交流磁通，使次級線圈中感應(yīng)出電壓（或電流）。變壓器由鐵芯（或磁芯）和線圈組成，線圈有兩個或兩個以上的繞組，其中接電源的繞組叫初級線圈，其余的繞組叫次級線圈，變壓器的基本原理是電磁感應(yīng)原理。設(shè)

15、計中作用是把220V電網(wǎng)電壓降至所需電壓，可以選擇雙輸出變壓器。3.1.2 整流電路 設(shè)計中采用橋式整流電路，橋式整流電路因電源變壓器在正負(fù)半周內(nèi)都向負(fù)載提供電流，變壓器得到了充分利用，效率較高，同時它也具有輸出電壓相對較大、紋波電壓相對較小等優(yōu)點，故采用其作為整流部分電路。整流二極管的參數(shù)應(yīng)滿足最大整流電流If1.5Imax=0.75A，最大反向電壓VR=43V.整流濾波特別應(yīng)指出的是，電容濾波使電路被接通的一瞬間，整流管的實際電流遠大于Imax，如果If較小，很可能在電路被接通時就已經(jīng)損壞，因此，一般取If5Imax=2.5A。所以整流橋選擇2W10. 橋式整流電路如圖3-1所示。圖3-1

16、 橋式整流電路圖3.1.3濾波電路為了進一步減小紋波電壓，使輸出電壓的波形變得比較平緩，本次設(shè)計采用電容濾波電路，將脈動直流電中的脈動交流成分盡量濾除掉，而只留下直流成分，使輸出電壓成為比較平滑的直流電壓，其電路結(jié)構(gòu)圖如3-2所示。圖3-2 電容濾波電路 設(shè)計中取 （1） 即 （2） 從而可以得到平滑的負(fù)載電壓曲線。式(2)、(3)中T為電源交流電壓的周期，T=20ms。 為右邊的等效電阻，應(yīng)取最小值；，因此 （3） 電容濾波電路的負(fù)載電壓與的關(guān)系為 （4） (5)將，代入（5）式，可得。再將和代入（4）式，解得?？梢姡萘枯^大，應(yīng)選電解電容，濾波電容越大濾波效果越好，根據(jù)設(shè)計對紋波電壓的要求

17、，可以選擇2200uf的電解電容，為電路的安全起見，取耐壓值為25V。3.1.4 穩(wěn)壓電路的選擇穩(wěn)壓電路是利用能夠自動調(diào)整輸出電壓變化的電路來使輸出的電壓不隨電網(wǎng)電壓、溫度或負(fù)載的變化而變化，從而達到穩(wěn)定輸出電壓的目的。一般有并聯(lián)型、串聯(lián)型線性穩(wěn)壓電路和開關(guān)型穩(wěn)壓電路等。 設(shè)計中選擇三端集成穩(wěn)壓管7812/7912及7805/7905，其輸出電壓和輸出電流均滿足指標(biāo)要。.選擇的LM7812T固定式三端穩(wěn)壓器的特性參數(shù)為：輸入電壓=19V，輸出電壓范圍為=11.412.6V，最小輸入電壓=12V，電壓調(diào)整率為+3mV，最大輸出電流為1A。選擇的L7912CV固定式三端穩(wěn)壓器的特性參數(shù)為：輸入電壓

18、=19V,輸出電壓范圍=11.412.6V，最小輸入電壓為12V，電壓調(diào)整率為3mV，最大輸出電流為1A。3.2 語音濾波器的設(shè)計3.2.1 設(shè)計說明考慮到實用性，帶負(fù)載能力要比較強，要滿足輸入阻抗應(yīng)足夠高，輸出阻抗應(yīng)夠?。灰獫M足阻帶衰減頻率-40db/10倍頻程，有兩種考慮方案：一種是用一階濾波器進行級聯(lián)，另一種直接采用二階濾波器，本設(shè)計中采用第二種?？紤]到電路的穩(wěn)定性及增益AV=10，應(yīng)采用有源濾波器。集成有源濾波器有如下優(yōu)點：1、在制作截止頻率或中心頻率較低的濾波器時，可以做到體積小、重量輕、成本低；2、由于采用集成電路，所以受環(huán)境條件（如機械振動、溫度、濕度、化學(xué)因素等）的影響?。?、

19、受電磁干擾的影響小；4、由于采用集成電路，可避免各濾波節(jié)之間的負(fù)載效應(yīng)而使濾波器的設(shè)計和計算大簡。綜合以上原因我選擇集成運放做語音濾波器。3.2.2電路設(shè)計方案：利用低通高通級聯(lián)來組成一個帶通。原理圖如圖3-3所示： 圖3-3 原理圖 圖3-4 有源低通濾波電路 圖3-5 有源高通濾波電路 圖3-4為有源低通濾波電路，圖3-5為有源高通濾波電路。 圖3-6二階低通濾波設(shè)計表圖3-7 二階高通濾波設(shè)計表根據(jù)要求及設(shè)計表我選擇的設(shè)計方案如下：低通部分選擇壓控電壓源電路，增益2；高通部分選擇壓控電壓源電路，增益為5；然后將兩者級聯(lián)。對于低通部分：根據(jù)設(shè)計要求由圖3-6、3-7可選參數(shù)值為R6=0.8

20、K,R7=1.59K,R8=1.06K，R9=1.06K由設(shè)計表上給出的計算公式得出C3=C4=0.047uF（k=100/fc*c），在本設(shè)計中K=5。對于高通部分：參數(shù)值為R1=0.97K,R2=1.2K,R3=4.8K,R5=3.2K，由設(shè)計表上給出的計算公式得出C1=C2=0.3uF（k=100/fc*c），在本設(shè)計中K=5。3.2.3論證 在滿足低通截止頻率高于高通截止頻率的條件下，把相同元件壓控電壓濾波器的低通和高通起來可以實現(xiàn)帶通濾波器的通帶響應(yīng)。用該方法構(gòu)成的帶通濾波器的通帶較寬，通帶截止頻率易于調(diào)整，因此多用做測量信號噪聲比(SN)的音頻帶通濾波器。 3.3整體電路設(shè)計3.3

21、.1直流穩(wěn)壓電源整體電路 在電子電路中，通常需要電壓穩(wěn)定的直流電源供電。他是由電源變壓器，整流，濾波和穩(wěn)壓電路等四部分組成。 圖11 直流穩(wěn)壓電源仿真電路 3.3.2語音濾波器電路由低通和高通電路共同組成。圖12 語音濾波器的仿真圖3.4 電路仿真3.4.1 直流穩(wěn)壓源仿真LM7812CT的仿真輸出波形如圖11所示。 圖13 輸出電壓仿真波形由輸出波形可知，LM7812輸出電壓為12V，符合設(shè)計要求。3.4.2 語音濾波器仿真語音濾波器仿真波形如圖14所示。圖14 仿真波形圖如圖所示，語音濾波器電壓增益約等于10倍，通帶范圍在3073052HZ之間，符合實驗要求。 4 安裝與調(diào)試4.1 直流穩(wěn)

22、壓電源的調(diào)試4.1.1輸出電壓的測量 接通220V的電源，用數(shù)字萬用表對所設(shè)計的電路實物進行測試，得到正源輸出電壓為+12.4V，+9.2V，+4.60V。負(fù)電源輸出電壓為-11.78V,-8.9V，-4.97V。輸出波形如圖4-1所示。圖4-1 輸出波形圖4.1.2穩(wěn)壓系數(shù)的測量 穩(wěn)壓系數(shù)是指在負(fù)載電流I0、環(huán)境溫度T不變的情況下，輸入電壓的相對變化引起輸出電壓的相對變化，即穩(wěn)壓系數(shù) IO=常數(shù)，T=常數(shù) （7） （8） 根據(jù)上述測量方法，可對正負(fù)雙電源進行仿真測試，測試數(shù)據(jù)如下： 當(dāng)時，測得數(shù)據(jù)為：， ， 當(dāng)時，測得數(shù)據(jù)為：， ， 當(dāng)時，測得數(shù)據(jù)為：， ， 由以上所測數(shù)據(jù)，可得穩(wěn)壓系數(shù)為：

23、 4.1.3紋波電壓測量 疊加在輸出電壓上的交流分量，一般為mV級?？蓪⑵浞糯蠛?，用示波器觀測其峰峰值VOP-P；用可用交流毫伏表測量其有效值VO，由于紋波電壓不是正弦波，所以用有效值衡量存在一定誤差。通過交流毫伏表測量的紋波電壓大概都在0.32mV到0.6mV之間浮動。通過示波器可以得出以下的波形圖，可以看見在毫伏級別仍然存在微小的交流分量。但是示波器讀數(shù)大約在4.8-10mV左右，稍微大于理論要求值。實際紋波電壓測量圖如圖4-2。圖4-2 紋波電壓波形圖4.2 語音濾波器的調(diào)試與分析4.2.1 調(diào)試與分析根據(jù)仿真圖，在AD軟件上畫出原理圖和PCB圖。并根據(jù)畫出來的PCB圖進行制板。接下來的

24、焊接相對而言比較簡單。焊接好拿去實驗室進行測試，在測試中，還是出來了一些錯誤，請教了老師后才明白原來是實物與理論存在著一定的誤差，只要誤差在一定范圍內(nèi)就可以了。經(jīng)過老師的指導(dǎo)，我們成功測出語音濾波器的幾個技術(shù)指標(biāo)。總的來說，設(shè)計相對成功，就是存在一些誤差。4.2.2 實物數(shù)據(jù)記載與處理語音濾波器不同頻率下的波形如圖4-3。仿真數(shù)據(jù)如表1。 表1輸入電壓=1.0V時頻率輸入電壓輸出電壓電壓增益/分貝59.71.080.384-9600.21.054.6312.910001.05615.215061.056.7116.120061.056.7116.132091.034.6312.93201010

25、.053-25.5數(shù)據(jù)分析： 實際測量中，發(fā)現(xiàn)通帶增益是16.1分貝，達不到20分貝；衰減速率是-38.4db/10f，也存在著誤差，通帶范圍為6003200HZ之間。實際技術(shù)指標(biāo)與理論指標(biāo)存在著誤差，誤差分析另外單獨寫。圖4-3 語音濾波器實際輸出波形圖誤差分析：（1）實際購買元器件達不到理想值。電阻電容存在誤差。 （2）穩(wěn)壓電源提供的電壓并沒有達到額定值。 （3）測量儀器在測量時存在誤差。 （4）電阻沒有采用電位器調(diào)節(jié)，使用電位器能減少誤差。參考文獻1 康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)M.模擬部分(第五版)北京：高等教育出版社，2006.15202 謝自美.電子線路設(shè)計實驗測試M(第三版)武漢：華中科技大學(xué)出版社2005.2636 3 邱光源.電路M(第5版)北京:高等教育出版社 ,2002.125204 4曹才開，張丹，羅雪蓮，等.電路與電子技術(shù)實驗M.湖南：中南大學(xué)出版社，2009.156158，141146，287293 5熊幸明，曹才開，王新輝.電工電子實訓(xùn)教程M.北京：清華大學(xué)出版社，2007. 3441,2833006. 青木英彥、周難生.模擬電路設(shè)計與制作M； 科學(xué)出版社 20087. 王港元 .電工電子實踐指導(dǎo)M；江西科學(xué)技術(shù)出版社 20078勞五一，勞佳.模擬電子電路分析、設(shè)計與仿真M；清華大學(xué)出版社 2009致 謝 通過本次的課程設(shè)計，讓我體會到學(xué)習(xí)模擬電路這門課