语音滤波器的设计--模电课设

辽 宁 工 业 大 学

模拟电子技术基础课程设计（论文）

题目： 语音滤波器

学 院: 工程技术学院 专业班级：电气工程及其自动化xx级 学 号： 1319020xx 学生姓名： h m 指导教师： x x x 教师职称： 教 授 起止时间：2015.0x.xx——2014.0x.xx

课程设计（论文）任务及评语

学 院：工程技术学院 教研室：电子信息教研室 学 号 课程设计（论文）题目 1319020xx 语音滤波器 设计参数： 1. 截止频率fl=300Hz，fH=3KHz； 2. 增益Av＝10； 3. 阻带衰减速率大于等于40dB/10倍频程； 4. 调整并记录滤波器的性能参数及幅频特性。 设计要求： 1 .分析设计要求，明确性能指标。必须仔细分析课题要求、性能、指标及应用环境等，广开思路，构思出各种总体方案，绘制结构框图。 2 .确定合理的总体方案。对各种方案进行比较，以电路的先进性、结构的繁简、成本的高低及制作的难易等方面作综合比较，并考虑器件的来源，敲定可行方案。 3 .设计各单元电路。总体方案化整为零，分解成若干子系统或单元电路，逐个设计。 4.组成系统。在一定幅面的图纸上合理布局，通常是按信号的流向，采用左进右出的规律摆放各电路，并标出必要的说明。 学生姓名 h m 专业班级 电气xx 课程设计（论文）任务 指导教师评语及成绩 成绩： 指导教师签字： 年 月 日

摘 要

语音滤波器的设计是以放大器作为系统核心控制部分，利用RC电路，通过软件技术的设计和硬件的制作，然后进行硬件的调试与运行，最终达到滤除无用的频谱成分的目的。对于本次制作的语音带通滤波器，采用有源低通与高通滤波器级联。允许一定频段的信号通过，抑制低于或高于该频段噪声。本设计优点为：增益可以大于一；负载效应小，既其输出响应基本与他的负载无关。

关键词：放大器、带通滤波器、RC电路

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目录

第一章 引言..........................................................................................1

1.1滤波器简介.....................................................................................1 1.2巴特沃斯响应..................................................................................1

1.3低通滤波器.....................................................................................1 1.4高通滤波器.....................................................................................1 1.5带通滤波器.....................................................................................2 第二章 设计要求..................................................................................2 第三章 滤波器设计方案......................................................................2

3.1设计思路........................................................................................2 3.2单元电路的设计..............................................................................3

第四章 电路原理及参数计算..............................................................4

4.1巴特沃斯低通、高通电路阶数n与增益G的关系..............................4

4.2低通滤波器的设计...........................................................................4 4.3高通滤波器的设计...........................................................................5 4.4放大器的设计..................................................................................6 4.5组合电路原理图...............................................................................7 第五章 器件的选择.................................................................................7 第六章 电路的仿真.................................................................................8 6.1仿真电路图......................................................................................8 6.2仿真中出现的问题...........................................................................9

II

6.3仿真结果.........................................................................................9 第七章 组装与调试................................................................................11 7.1组装...............................................................................................11 7.2主要的仪表.....................................................................................11 7.3调试电路的方法和技巧....................................................................11 7.4测试的数据和波形...........................................................................12 7.5测试中出现的故障原因及排除方法...................................................14 第八章 设计总结和心得体会................................................................15 参考文献..................................................................................................16 附录 元件清单......................................................................................17

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第一章 引言

1.1滤波器的简介

滤波器是一种对信号有处理作用的器件或电路。是一种用来消除干扰杂讯的器件，将输入或输出经过过滤而得到纯净的直流电。对特定频率的频点或该频点以外的频率进行有效滤除的电路。 1.2巴特沃斯响应

巴特沃斯响应能够最大化滤波器的通带平坦度。该响应非常平坦，非常接近DC信号，然后慢慢衰减至截止频率点为-3dB，最终逼近-20ndB/decade的衰减率，其中n为滤波器的阶数。巴特沃斯滤波器特别适用于低频应用，其对于维护增益的平坦性来说非常重要。

1.3低通滤波器

低通滤波器容许低频信号通过, 但减弱(或减少)频率高于截止频率的信号的通过。对于不同滤波器而言,每个频率的信号的减弱程度不同。当使用在音频应用时,它有时被称为高频剪切滤波器, 或高音消除滤波器。低通滤波器概念有许多不同的形式，其中包括电子线路（如音频设备中使用的hiss 滤波器、平滑数据的数字算法、音障（acoustic barriers）、图像模糊处理等等。低通滤波器在信号处理中的作用等同于其它领域如金融领域中移动平均数（moving average)所起的作用；这两个工具都通过剔除短期波动、保留长期发展趋势提供了信号的平滑形式。

1.4高通滤波器

高通滤波器是指车载功放中能够让中、高频信号通过而不让低频信号通过的电路，其作用是滤去音频信号中的低音成分，增强中音和高音成分以驱动扬声器的中音和高音单元。此外高通滤波器常常和低通滤波器成对出现，不论哪一种，都是为了把一定的声音频率送到应该去的单元。

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1.5带通滤波器

一个理想的滤波器应该有一个完全平坦的通带，例如在通带内没有增益或者衰减，并且在通带之外所有频率都被完全衰减掉。另外，通带外的转换在极小的频率范围完成。实际上，并不存在理想的带通滤波器。滤波器并不能够将期望频率范围外的所有频率完全衰减掉，尤其是在所要的通带外还有一个被衰减但是没有被隔离的范围。这通常称为滤波器的滚降现象，通常，滤波器的设计尽量保证滚降范围越窄越好，这样滤波器的性能就与设计更加接近。然而，随着滚降范围越来越小，通带就变得不再平坦一开始出现“波纹”。这种现象在通带的边缘处尤其明显。

第二章 设计要求

设计一个语音滤波器，要求： （1）截止频率fl=300Hz，fH=3KHz； （2）增益Av＝10；

（3）阻带衰减速率大于等于40dB/10倍频程； （4）调整并记录滤波器的性能参数及幅频特性。

第三章 滤波器设计方案

3.1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；要满足阻带衰减频率等于或大于40db/10倍频程，由于在理论上，一级二阶滤波电路的衰减频率为40db/10倍频程，在实际做板子时，衰减频率没有达到40db/10倍频程，所以要考虑到将几个滤波电路级联在一起，提高衰减频率。

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图3.1 依次是低通﹑高通﹑带通幅频图

3.2单元电路的设计

对于每一个放大器当增益大于3时会产生谐振现象，所以每个放大器的增益应小于三。所以要使得增益大于十需要至少三个放大器，所以选择一个高通电路与一个低通电路一个放大电路级联的方式达到要求。其系统框图如下：

低通滤波器 高通滤波器 带通滤波器 放大器 图3.2滤波器的系统框图

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第四章 电路原理及参数设计

4.1巴特沃斯低通、高通电路阶数n与增益G的关系 表4.1阶数n与增益的关系 巴特沃斯低通、高通电路阶数n与增益G之关系表格 阶数n 增 益 G 一级 二级 三级 四级

4.2 低通滤波电路的设计

二阶巴特沃斯低通滤波器电路：有两个RC滤波电路和同向比例放大电路组成，其特点是输入阻抗高，输出阻抗低。 参数设置：

（1）选择电容的容量，计算电阻的阻值

电阻一般应在一百千欧姆以内，电容应在微法数量级以下。故选择C1=C2=47nF

则根据 ω=2π/T=2πfH （4.1） ω=1/(R1*R2*C1*C2 ) fH = 3000HZ

得R1*R2=1/ω(c1*C2)=1/2πf(C1*C2) 可计算出：R1=0.8K R2=3K

由表格4.1.1可知，二阶电路的增益为2.239 设反馈电阻R3=10K，由Av=1+R3/R4得： R4=R3/（Av-1）=4.5K

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2 2.239 4 1.52 2.235 6 1.068 1.586 2.483 8 1.038 1.337 1.889 2.610

（2）低通滤波电路原理图设计

由计算的参数可得二阶低通滤波电路原理图如下：

图4.1二阶低通滤波电路

4.3高通滤波器的设计

参数设置：

(1)选择电容的容量，计算电阻的阻值

电阻一般应在一百千欧姆以内，电容应在微法数量级一下。故选择C3=C4=47nF

则根据 ω=2π/T=2πf L （4.2） ω=1/(R5*R6*C3*C4) f L= 3000HZ

得R5*R6=1/ω(C3*C4)=1/2πf(C3*C4) 可计算出：R5=4.5K R6=8.7K 由表格1可知，二阶电路的增益为2.239 设反馈电阻R7=10K，由Av=1+R3/R4得： R8=R3/（Av-1）=4.5K

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(2)高通通滤波电路原理图设计

由计算的参数可得二阶低通滤波电路原理图如下：

图4.2二阶高通滤波电路

4.4放大器的设置

由4.1节、4.2节可知Avf=2.239*2.239=5.07 所以放大器的增益Av=A/Avf=10/5.07=2 设反馈电阻R9=10K 可求得R10=10K

由所求参数得放大电路的原理图如下：

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图4.3 放大电路原理图

4.5组合电路原理图

图4.4组合电路原理图

第五章 器件的选择

电阻、电容按照计算结果进行选择。为了减少运放对滤波电路的负载效益，降低功耗与成本，故选用通用型低功耗集成四运放LM324。

LM324内含4个独立的高增益、频率补偿的运算放大器，既可接单电源使用 (3～30 V)，也可接双电源使用(±1.5～±15 V)，驱动功耗低，可与TTL逻辑电路相容。 其引脚与功能图如图：

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图5.1 LM324管脚图

第六章 电路的仿真

6.1仿真电路图

图6.1 仿真电路图

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6.2仿真中出现的问题

按照理论数据对电路进行仿真

（1）发现增益大约为8。所以调节了电阻R3与R7使R3=R7=5K，使得增益调节大约为10。

（2）衰减能大于40dB，所以调节了电阻C1与R6使其分别为50nF与7K使衰减接近40dB。

6.3仿真结果

(1)示波器波形

图6.2仿真波形图

图中A通道为输入电压波形，B通道为输出电压波形。有图可知输出电压与输入电压之比大约为10既增益为10符合要求。

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(2)波特图：

图6.3仿真波特图一

图6.4仿真波特图二

有波特图可知300Hz和3KHz基本保持对称，设计基本合理。

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第七章 组装与调试

7.1组装

(1)根据原理图准备好必须的元件；

(2)根据原理图设计PCB板，更改不限规则，使线宽为1mm. 焊盘直径为2.1mm，在底层布线；

(3)对元件进行合理布局并合理布线； (4)检查布线规则并输出打印PCB板； (5)根据原理焊接元器件。

7.2主要的仪表

数字万用表、信号发生器、示波器、12V直流电源。

7.3调试电路的方法和技巧

(1)将电源的正负极、数字信号发生器接入端、波形输出端以及接地在电路板上标明清楚，按照电路图将仪器与电路板正确连接；

(2)首先对增益进行调节，调节过程中主要调节反馈电阻R3、R7、与R9。当增益过大时使其减小，增益过大时使其增大；

(3)其次调节截止频率。根据公式2πf=1/RC得，调节方法如下表： 表7.1表 调节方法 低通截止频率过大 R1增大 低通截止频率过小 R1减小 高通截止频率过大 R5增大 高通截止频率过小 R5减小 R2增大 R2减小 R6增大 R6减小 14

C1增大 C1减小 C3增大 C3减小 C2增大 C2减小 C4增大 C4减小

7.4测试的数据和波形

测试的数据如下表：

表7.2测试数据 频率（HZ）

100 120 150 180 200 220 250 270 300 320 350 370 400 410 420 450 470 500 550 600 650 700

V）频率（HZ）0.40 0.60 0.80 1.00 1.39 1.76 2.34 2.88 3.54 4.20 5.10 5.88 7.08 7.44 7.88 9.04 9.76 15

幅度（V）1100 1150 1200 1300 1400 1450 1500 1600 1700 1800 1900 2000 2100 2200 2300 2400 2500 2600 2700 2800 2900 3000

9.84 9.76 9.68 9.60 9.44 9.28 9.20 9.00 8.80 8.64 8.48 8.16 7.92 7.60 7.36 7.04 6.80 6.48

幅度（

10.03 11.60 12.00 12.00 11.90

10.30 10.20 10.00 10.00

750 850 900 950 1000

11.70 11.30 11.00 10.80 10.60

3200 3400 3600 4000 4200

5.92 5.36 4.88 4.08 3.76

测试波形如下图：

图7.1 测试波形

由数据及表格可知低通与高通截止频率分别为400Hz与2800Hz增益为12基本达到要求。而截止频率大约为800Hz与理论值相差较大。 衰减系数的计算:k20lgA120lgA2。

lgF1lgF2高通部分代入数据F1=100HZ，F2=500HZ：A1=0.4 、A2=10.3 可求得：K1=40.1dB

低通部分代入F1=1700HZ F2=3000HZ A1=12 A2=6.8 可求得：K2=20

由计算数据可知高通部分增益达到要求，低通部分增益较低。

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7.5调试中出现的故障原因及排除方法

(1)第一次做的是四阶电路，调试时发现增益过大以至于波形严重失真，因为BCB板中电位器的封装不正确，所以将板子进行重新制作，为了调节简单将电路图进行了修改电路图如下：

图7.2 二阶电路原理图

（2）第二次进行调试根据理论值连接电路后发现增益过大导致电路失真，波形为矩形波，调节电阻R5与R8之后波形变为清晰地正弦波。但是增益不能达到10，经多次改变后增益达到10，而中心频率变为了600Hz不能满足要求，最后经过多次调试发现二阶电路的增益与截止频率总是不能同时达到要求，于是选择了再加一个放大器，完成了第三块板子。

（3）最后一次调试时改变了原理图中的多个电阻与电容，最终使得截止频率与增益达到了要求而中心频率略有偏差，在给老师检查时发现地同步分的截止频率过小，后经检查发现有一个电阻短路，改正后得到了正确的截止频率。

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第八章 设计总结和心得体会

设计总结：

本次试验经过两次方案的改良，我人为对于最后所肯定的电路的优点是调节方便，低通部分、高通部分、与放大器的结合使得整个电路可以分别调试高通截止频率、低通截止频率与增益放大。既避免了高阶电路的复杂。又避免了低阶电路的一次调节会改变多个指标的问题。而其缺点在于波形不能够对称，导致了高通与低通衰减的不同、因而难以达到预期的中心频率。

课程设计完成之后，我进行了再思考，并重新将自己的设计审视了几遍，同时也和做类似设计的几个同学交流了一下。在进行交流中，我又有些新的感悟。一开始进行设计的时候，由于我自身的知识储备不高，基本上都是参照相关资料进行。这样做一方面可以让我熟悉软件的操作环境，了解设计方法和步骤，更加深刻理解基本概念。另一方面等到自己设计的时候，可以在原有基础上完全按照自己的思路独立进行，而且在解决遇到的问题时会更加引发自己的思考，虽说不上创新，但可能会有新意产生。在这方面我自我感觉做的不是很好，这就要求自己在今后的学习中要不断的扩充知识，同时还要加强自身探索能力的培养。这正是以后最需要改进的地方。这一点，我想同样适用于其它各门功课。如果没有探索性，我们就会拘泥于现有的东西，永远不会推动科技的发展。没有探索就没有创新，没有创新很可能就会被淘汰，在今后的学习和设计中，我也会更加注重这方面的锻炼和培养，希望会有所进步。我的设计缺少系统性，在整个设计过程中探索性也不够。这里面原因是很多的。主要是因为首次做课设，具体环节还不太明了，其次就是我的知识储备还远远达不到标准，今后还需要多学习多交流多研究，我相信自己会有更大的进步。 心得体会：

通过这次设计语音滤波器，我学到很多，通过对数据的处理计算后，实验数据是符合要求的，这也意味着这次模拟电路课程设计取得成功。这是入学以来第一次课程设计，它加强了我对自己专业的认识，就比如，设计出来的电路在理论上是可行的，但是实际做出来的仿真可能也会没有波形出现，因为电容的存在，很多余标签的数据有差错，以及采用了变阻器，这就需要调试，调试又要从理论

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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，我收获颇多。

参考文献

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[3]曾兴文，刘乃安，陈健. 高频电路原理与分析.第四版.西安：西安电子科技大学出版社,2006:206-217

[4]李万臣.模拟电子技术基础实验与课程设计.哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，2001:48-62. [5]邵舒渊,于海勋.模拟电子技术基础实验.西安：西北工业大学出版社，2000:142-162. [6]杨刚.模拟电子技术基础实验.北京：电子工业出版社，2003:78-89.

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