模电语音滤波器课程设计

《模拟电子技术》课程设计说明书

语音滤波器

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完成时间： 朱如凯 雷美艳 职称 副教授 电气工程及其自动化 电气本1501班 [1**********] 2017.5.10—2017.6.6

课程设计评定意见

设计任务书

摘 要

在有源滤波器中, 带通有源滤波器是最常用的电子线路。本文我们主要介绍一种二阶带通滤波器：二阶压控电压源带通滤波电路。语音滤波器通过低通、高通和负反馈电路组成的。电阻和电容组成滤波系统，而运算放大器和电阻组成放大系统。从而实现截止频率f L =300HZ，f H =3000HZ；通带内增益10倍，阻带衰减

速率为-40dB/10f。这里的运算放大器我们常用741集成芯片实现。

关键字：二阶有源带通滤波器；通带增益；截止频率；衰减速率。

Abstract

In active filter, active bandpass filter is the most commonly used electronic circuit. In this paper, we introduce a two order band-pass filter: two order voltage controlled voltage source band-pass filter circuit. The voice filter through a low pass high pass and negative feedback circuit. Resistance and capacitance filter system, and operational amplifier and a resistor amplifier system. In order 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 录

绪论................................................................ 3

1 方案设计......................................................... 4

1.1 方案选择.................................................... 4

1.1.1直流稳压电源方案选择 .................................. 4

1.1.2语音滤波器方案选择 .................................... 4

2 滤波器的传输函数与性能参数...................................... 6

2.1 RC有源滤波器的幅频特性 .................................... 6

2.2二阶RC 滤波器的传输函数...................................... 7

3 电路设计......................................................... 9

3.1直流稳压电源设计 ............................................ 9

3.1.1电源变压器 ............................................ 9

3.1.2 整流电路............................................. 9

3.1.3滤波电路 ............................................. 10

3.1.4 稳压电路的选择....................................... 10

3.2 语音滤波器的设计.......................................... 11

3.2.1 设计说明............................................. 11

3.2.2电路设计 ............................................. 11

3.2.3论证 ................................................ 14

3.3整体电路设计 ............................................... 14

3.3.1直流稳压电源整体电路 ................................. 14

3.3.2语音滤波器电路 ....................................... 15

3.4 电路仿真.................................................. 15

3.4.1 直流稳压源仿真....................................... 15

3.4.2 语音滤波器仿真...................................... 16

4 安装与调试..................................................... 18

4.1 直流稳压电源的调试......................................... 18

4.1.1输出电压的测量 ....................................... 18

4.1.2稳压系数的测量 ....................................... 18

4.1.3纹波电压测量 ......................................... 19

4.2 语音滤波器的调试与分析.................................... 20

4.2.1 调试与分析.......................................... 20

4.2.2 实物数据记载与处理................................... 20

参考文献........................................................... 23

致 谢............................................................. 24

附录............................................................... 25

附录A 原理图 ................................................. 25

附录B PCB图.................................................. 26

附录C 实物图 ................................................ 27

附录D 语音滤波器元器件清单 ................................... 28

附录E 直流稳压电源元器件清单 ................................. 29

绪论

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、带阻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; 带阻滤波器只有某一个通频带范围内不能通过，其他都能通过；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。

1 方案设计

1.1 方案选择

1.1.1直流稳压电源方案选择

方案一： 整体框图如图1-1, 晶体管串联式直流稳压电路。交流电压经整流滤波后, 得到平滑的直流电压, 作为稳压电路的输入电源从U 1输入。同时运用了比较放大电路, 它的核心是调整管, 输出电压的稳定管的压降相应改变, 使输出电压保持稳定。

图1-1 直流稳压电源方案一设计框图

方案二：如图1-2所示，方案采用三端可调集成稳压器电路。它采用输出电压可调且内部有过载保护的三端集成稳压器，输出电压调整范围宽，此稳压器的基准电压是1.25V ，而要求电压从0V 起连续可调，因此需要设计电压补偿电路

图1-2 直流稳压电源方案二设计框图

方案一虽然电路比较简单，成本较低，但精度达不到设计要求，方案二通过引入三端集成稳压器，大大提高了输出精度，故采用第二种设计方案。

1.1.2语音滤波器方案选择

方案一直接由一个带通滤波电路实现设计要求。

方案二它由一个低通和一个高通滤波电路组成一个带通滤波器。从而实现一定频率内导通。

俩个方案设计大致相同。设计框图可以共用，如图1-3所示。

图1-3 语音滤波器设计框图

框图作用如下：

带通电路：一定频率范围内导通。 反馈电路：提供合适的电压增益。

经过对俩种设计方案进行比较，出于对技术指标的实现，本次设计选择方案二。

2 滤波器的传输函数与性能参数

2.1 RC 有源滤波器的幅频特性

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，抑制或急剧衰减此范围以外得信号。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不同，可分为低通、高通、带通与带阻等四种滤波器。它们的幅频特性如图2-1所示。具有理想的幅频特性的滤波器是很难实现的。只能用实际的滤波器的幅频特性去逼近理想的。常用的逼近方法是巴特沃斯效应。

在不允许带内有纹波的应用中，采用巴特沃斯响应的滤波器较好。如果给定阶数n 和带内允许的偏差，采用切比雪夫响应的滤波器较好。因其阻带衰减速率比巴特沃斯响应的要大的多，但切比雪夫滤波器的相频特性比巴特沃斯的要差。如图

2-2所示。

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 网络的节数越多，元件参数计算越繁琐，电路调试越困难。因为任何高阶的滤波器均可以用较低阶的滤波器级联实现。

2.2 二阶RC 滤波器的传输函数

实现表2-1所示传输函数的常数电路有电压控制电压源（VCVS ）电路和无限增益多路反馈（MFB ）电路。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低，滤波器相当于一个电压源。故称这种电路为电压控制电压源电路。其优点是电路性能稳定，增益容易调节。无限增益多路反馈电路，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，输出通过C2、R3形成两条反馈支路。故称这种电路为无限增益多路反馈电路。其优点是电路有倒相作用，使用元件较少。但增益调节不太方便，对其它性能参数会有影响。其应用范围比VCVS 电路要少。

表2-1二阶RC 滤波器的传输函数

3 电路设计

3.1直流稳压电源设计

3.1.1电源变压器

变压器是变换交流电压、电流和阻抗的器件，当初级线圈中通有交流电流时，铁芯（或磁芯）中便产生交流磁通，使次级线圈中感应出电压（或电流）。变压器由铁芯（或磁芯）和线圈组成，线圈有两个或两个以上的绕组，其中接电源的绕组叫初级线圈，其余的绕组叫次级线圈，变压器的基本原理是电磁感应原理。设计中作用是把220V 电网电压降至所需电压，可以选择220V ~12V 双输出变压器。

3.1.2 整流电路

设计中采用桥式整流电路，桥式整流电路因电源变压器在正负半周内都向负载提供电流，变压器得到了充分利用，效率较高，同时它也具有输出电压相对较大、纹波电压相对较小等优点，故采用其作为整流部分电路。整流二极管的参数应满足最大整流电流I f >1.5Imax =0.75A，最大反向电压V R =43V . 整流滤波特别应指出的是，电容滤波使电路被接通的一瞬间，整流管的实际电流远大于I max ，如果I f 较小，很可能在电路被接通时就已经损坏，因此，一般取I f >5Imax =2.5A。所以整流桥选择2W10. 桥式整流电路如图3-1所示。

图3-1 桥式整流电路图

3.1.3滤波电路

为了进一步减小纹波电压，使输出电压的波形变得比较平缓，本次设计采用电容滤波电路，将脉动直流电中的脉动交流成分尽量滤除掉，而只留下直流成分，使输出电压成为比较平滑的直流电压，其电路结构图如3-2所示。

图3-2 电容滤波电路

设计中取

R L C ≥(3~5)

5T

2R L

T

（1） 2

（2）

即 C =

从而可以得到平滑的负载电压曲线。式(2)、(3)中T 为电源交流电压的周期，T=20ms。

R L 为C 右边的等效电阻，应取最小值；I max =500mA ，因此 R L min =

V L

（3） I max

电容滤波电路的负载电压V L 与V 2的关系为

V L =(1. 1~1. 2) V 2 （4）

V L

I max (5)

R MAX =

将V L =12V ，I max =0. 5A 代入（5）式，可得R max =24Ω。再将R max =24Ω和

T =20ms 代入（4）式，解得C =2083uF 。可见，C 容量较大，应选电解电容，

滤波电容越大滤波效果越好，根据设计对纹波电压的要求，可以选择2200uf 的电解电容，为电路的安全起见，取耐压值为25V 。 3.1.4 稳压电路的选择

稳压电路是利用能够自动调整输出电压变化的电路来使输出的电压不随电网电压、温度或负载的变化而变化，从而达到稳定输出电压的目的。一般有并联型、串联型线性稳压电路和开关型稳压电路等。

设计中选择三端集成稳压管7812/7912及7805/7905，其输出电压和输出电流均满足指标要。. 选择的LM7812T 固定式三端稳压器的特性参数为：输入电压

U i =19V，输出电压范围为U 0=11.4～12.6V ，最小输入电压U imin =12V，电压调整

率为+3mV ，最大输出电流为1A 。选择的L7912CV 固定式三端稳压器的特性参数为：输入电压U i =－19V , 输出电压范围U 0=－11.4～－12.6V ，最小输入电压为－12V ，电压调整率为＋3mV ，最大输出电流为1A 。

3.2 语音滤波器的设计

3.2.1 设计说明

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-40db/10倍频程，有两种考虑方案：一种是用一阶滤波器进行级联，另一种直接采用二阶滤波器，本设计中采用第二种。考虑到电路的稳定性及增益AV=10，应采用有源滤波器。集成有源滤波器有如下优点：1、在制作截止频率或中心频率较低的滤波器时，可以做到体积小、重量轻、成本低；2、由于采用集成电路，所以受环境条件（如机械振动、温度、湿度、化学因素等）的影响小；3、受电磁干扰的影响小；4、由于采用集成电路，可避免各滤波节之间的负载效应而使滤波器的设计和计算大简。综合以上原因我选择集成运放做语音滤波器。 3.2.2电路设计

方案：利用低通高通级联来组成一个带通。 原理图如图3-3所示：

图3-3 原理图

图3-4 有源低通滤波电路

图3-5 有源高通滤波电路

图3-4为有源低通滤波电路，图3-5为有源高通滤波电路。

图3-6二阶低通滤波设计表

图3-7 二阶高通滤波设计表

根据要求及设计表我选择的设计方案如下：低通部分选择压控电压源电路，增益2；高通部分选择压控电压源电路，增益为5；然后将两者级联。 对于低通部分：

根据设计要求由图3-6、3-7可选参数值为R6=0.8K,R7=1.59K,R8=1.06K，R9=1.06K 由设计表上给出的计算公式得出C3=C4=0.047uF（k=100/fc*c），在本设计中K=5。 对于高通部分：

参数值为R1=0.97K,R2=1.2K,R3=4.8K,R5=3.2K，由设计表上给出的计算公式得出C1=C2=0.3uF（k=100/fc*c），在本设计中K=5。

3.2.3论证

在满足低通截止频率高于高通截止频率的条件下，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。用该方法构成的带通滤波器的通带较宽，通带截止频率易于调整，因此多用做测量信号噪声比(S／N) 的音频带通滤波器。

3.3整体电路设计

3.3.1直流稳压电源整体电路

在电子电路中，通常需要电压稳定的直流电源供电。他是由电源变压器，整流，滤波和稳压电路等四部分组成。

图11 直流稳压电源仿真电路

3.3.2语音滤波器电路 由低通和高通电路共同组成。

图12 语音滤波器的仿真图

3.4 电路仿真

3.4.1 直流稳压源仿真

LM7812CT 的仿真输出波形如图11所示。

图13 输出电压仿真波形

由输出波形可知，LM7812输出电压为12V ，符合设计要求。

3.4.2 语音滤波器仿真

语音滤波器仿真波形如图14所示。

图14 仿真波形图

如图所示，语音滤波器电压增益约等于10倍，通带范围在307~3052HZ之间，符合实验要求。

4 安装与调试

4.1 直流稳压电源的调试

4.1.1输出电压的测量

接通220V 的电源，用数字万用表对所设计的电路实物进行测试，得到正源 输出电压为+12.4V，+9.2V，+4.60V。负电源输出电压为-11.78V,-8.9V ，-4.97V 。 输出波形如图4-1所示。

图4-1 输出波形图

4.1.2稳压系数的测量

稳压系数是指在负载电流I 0、环境温度T 不变的情况下，输入电压的相 对变化引起输出电压的相对变化，即稳压系数

S r =(∆V o /V o ) /(∆V 1/V 1) IO =常数，T=常数 （7）

S r =(∆V o /V o ) /(∆V i /V i )

V o 1-V o 2) /V o ] =[220/(242-198)][(（8）

根据上述测量方法，可对正负双电源进行仿真测试，测试数据如下： 当V i =198V 时，测得数据为：

V o 2+=12. 17V ， V o 2-=-12. 13V V o 1+=5. 02V ，V o 1-=4. 98V 当V i =242V 时，测得数据为：

V o 2+=12. 16V ， V o 2-=-12. 12V V o 1+=4. 98V ，V o 1-=-4. 98V 当V i =220V 时，测得数据为：

V o +=12. 14V ， V o -=-12. 11V V o 1+=4. 98V ，V o 1-=-4. 97V 由以上所测数据，可得稳压系数为：

S r +=(∆V o +/V 0+) /(∆V i /V i )

/242-198）][(V o 1+-V o 2+) /V o +] =[220（

≈0. 00412

S r -=(∆V o -/V o -) /(∆V i /V i )

V o 1--V o 2-) /V o -] =[220/(242-198)][(

≈0. 00413 4.1.3纹波电压测量

叠加在输出电压上的交流分量，一般为mV 级。可将其放大后，用示波器观测其峰－峰值△V OP-P ；用可用交流毫伏表测量其有效值△V O ，由于纹波电压不是正弦波，所以用有效值衡量存在一定误差。

通过交流毫伏表测量的纹波电压大概都在0.32mV 到0.6mV 之间浮动。通过示波器可以得出以下的波形图，可以看见在毫伏级别仍然存在微小的交流分量。但是示波器读数大约在4.8-10mV 左右，稍微大于理论要求值。实际纹波电压测量图如图4-2。

图4-2 纹波电压波形图

4.2 语音滤波器的调试与分析

4.2.1 调试与分析

根据仿真图，在AD 软件上画出原理图和PCB 图。并根据画出来的PCB 图进行制板。接下来的焊接相对而言比较简单。焊接好拿去实验室进行测试，在测试中，还是出来了一些错误，请教了老师后才明白原来是实物与理论存在着一定的误差，只要误差在一定范围内就可以了。经过老师的指导，我们成功测出语音滤波器的几个技术指标。总的来说，设计相对成功，就是存在一些误差。 4.2.2 实物数据记载与处理

语音滤波器不同频率下的波形如图4-3。

表1输入电压U i =1.0V时

仿真数据如表1。

数据分析：

实际测量中，发现通带增益是16.1分贝，达不到20分贝；衰减速率是-38.4db/10f，也存在着误差，通带范围为600~3200HZ之间。实际技术指标与理论指标存在着误差，误差分析另外单独写。

图4-3 语音滤波器实际输出波形图

误差分析：（1）实际购买元器件达不到理想值。电阻电容存在误差。 （2）稳压电源提供的电压并没有达到额定值。 （3）测量仪器在测量时存在误差。

（4）电阻没有采用电位器调节，使用电位器能减少误差。

参考文献

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[2] 谢自美. 电子线路设计·实验·测试[M](第三版) 武汉：华中科技大学出版社2005.26～36

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[4]曹才开，张丹，罗雪莲，等. 电路与电子技术实验[M].湖南：中南大学出版社，2009.156～158，141～146，287～293

[5]熊幸明，曹才开，王新辉. 电工电子实训教程[M].北京：清华大学出版社，2007. 34～41,283～300

[6]. 青木英彦、周难生. 模拟电路设计与制作[M]； 科学出版社 2008 [7]. 王港元 .电工电子实践指导[M]；江西科学技术出版社 2007

[8]．劳五一，劳佳. 模拟电子电路分析、设计与仿真[M]；清华大学出版社 2009

致 谢

通过本次的课程设计，让我体会到学习模拟电路这门课程，不仅要掌握好理论的知识，还要通过理论来联系实际。同时注意到在实际过程中很难做到与理论相同的结果。在此次设计中我按照书上的公式推出实验所需要的参数，设计这个带通滤波电路我使用了两种方法。采用了压控和无限增益的方法。设计好之后拿去实验室调试，发现采用无限增益的方法产生的误差还是比较大的。我检查了电路发现电路板有个地方焊错了的。还有计算电阻的时候没有计算的很精确，也因为找不到那个阻值的电阻，所以就用比较接近的阻值代替了。再加上这块电路板的焊点不是很均匀，存在许多不足的地方，所以使得实验测出的数据误差比较大。在设计压控这个电路图的参数时候，我算出结果，而且请教了其他同学一起帮忙计算，发现算出的阻值都不怎么一致，后来我通过用软件仿真才找到一个比较合理的参数，但是小电阻很难买到了，我只能用电位器来代替。

在做实验之前我们应该多进实验室去调试，尽量早点发现问题早点解决，而不是盲目的在设计或做实验。总之，此次课设收获很多，感受也很多，为以后的学习带来了偌大的帮助。

附录

附录A 原理图

图18 直流稳压电源原理图

图19 语音滤波器原理图

图20 直流稳压电源PCB 图

图21 语音滤波器PCB 图

图22 直流稳压电源实物图

图23 语音滤波器实物图

附录D 语音滤波器元器件清单

附录E 直流稳压电源元器件清单