实验一报告--语音滤波器的设计

一、实验目的

1、理解掌握用运放、电阻和电容组成有源低通滤波、 高通滤波和带通、带阻滤波器。

2、熟悉仿真软件multisim的使用；

3、掌握波特图仪的使用；

4、利用multisim进行二阶低通与高通滤波器的设计与仿真分析

二、实验设备

计算机，仿真软件muitism

三、实验原理

1、前置放大

前置放大所接收的信号一般为有用信号和噪声的叠加，其中有用信号只有几毫伏，噪声信号可能很大，因此前置放大一定要设计一个要高共模抑制比、低漂移、高输入阻抗的小信号放大器。

2、有源滤波器

用压控电压源电路结构或无限增益多路反馈电路实现低通、高通、带通滤波器。

图1   压控电压源低通、高通、带通滤波器电路图

压控电源低通滤波器的传输函数：        

压控电源高通滤波器的传输函数：      

图2  无限增益多路反馈低通、高通、带通滤波器电路图

无限增益多路反馈高通滤波器的传输函数：     

无限增益多路反馈低通滤波器的传输函数：

四、实验内容

1、前置放大器：

要求：实现放大倍数500倍；放大器的输入信号小于10mv，输入阻抗大于10K欧，共模抑制比大于60dB。麦克风（咪头）输出阻抗2.2K欧。

2、有源带通滤波器：性能指标：截止频率，阻带衰减速率为-40dB/10倍频。

（可以用一级二阶低通与一级二阶高通级联构成二阶带通滤波器）。

五、实验结果

1、前置放大器：

集成运算放大器实质上是一个高增益的直接耦合多级放大电路，它一般由输入级，中间级，输出级和偏置电路等组成。其输入级常采用差分放大电路，故有两个输入端，输出级采用互补对称放大电路，偏置电路采用电流源电路。

(1)选取型号为741的放大器，此放大器的共模抑制比大于所要求的60dB。

(2)采用反相交流放大电路，同相与反相输入端电压几乎为零，没有共模电压，但输入电压等于输入回路电阻，其值比较小。如图3所示，为输入回路电阻，为反馈电阻，该电路属于电压并联负反馈放大电路。为直流平衡电阻，其作用是使集成运放两输入端对地直流电阻相等，从而避免运放输入偏置电流在两输入端之间产生附加的差模输入电压，要求。反相比例运算电路输出电压与输入电压之间的函数关系为，其比例系数，即闭环电压增益为。由于电路构成深度电压并联负反馈，，因此反相比例运算电路的输入电阻为，而运算电路的输出电阻为。

(3)要求实现放大倍数500倍，而在反相运算电路中、的取值范围通常应在之间，放大倍数限定在0.1~100之间。所以我应用两级反相比例运算电路，第一级的放大倍数为20倍，第二级的放大倍数为25倍，分别如图3和图4所示。

(4)参数设计：

第一级输入阻抗大于，所以我取、、，则。假如输入信号为，则。

同理，第二级输入阻抗也要大于，所以取、、，则。经过第一级的放大，这时输入信号为，则，是输入信号为的500倍。

图3  放大倍数为20倍的反相比例运算电路

图4  放大倍数为25倍的反相比例运算电路

(5)输出波形：Oscilloscope-XSC1通道1输出的为原始波形，通道2输出的是放大以后的波形。图形见附录（频率为500HZ，100HZ，50KHZ）。频率为500HZ，100HZ的输出波形为输入波形的500倍，而在频率为50KHZ的时候波形放大的倍数少于500倍，可能由于高频对电路的影响，需要用另外的方法考虑，此处不加讨论。

2、有源带通滤波器： 

(1)有源带通滤波器的组成及性能要求:可以用一级二阶低通与一级二阶高通级联构成二阶带通滤波器。截止频率，阻带衰减速率为-40dB/10倍频。

(2)高通（低通）滤波器的选取，由于要求截止频率，阻带衰减速率为-40dB/10倍频。选用二阶高通（低通）滤波器，幅频特性以40dB/10倍频的斜率衰减，所以滤波效果比一阶电路好。且当品质因素Q>0.707时幅频特性会出现升峰现象，Q值越大，峰值越高。Q=0.707时幅频特性最平坦。

(3)参数的设计

二阶高通滤波器：取基准电容C0=0.033uF，则基准电阻

R0=1/（2πfcC0）=16.076KΩ，A0=1，Q=0.707，fc=300HZ，得（如图5所示)

CH1=CH2=C0=1/(2πfcR0)=0.033uF

CH3= C0/A0=0.033uF

RH1＝R0/[Q(2＋1/A0)]=7.58 KΩ

RH2＝R0Q(1+2A0)=34.097KΩ

图5  二阶无限增益多重反馈高通滤波器的设计

二阶低通滤波器：首先决定CL2的容量，再根据电容容量，用R0=1/2πfcCL2公式计算基准电阻R0，A0=1，Q=0.707，fc=30KHZ。选取CL2值为2200pF，则基准电阻R0＝1/2πfcCL2＝2.411KΩ。

得（如图6所示)

CL1＝4Q2(1＋A0)C0=8797 pF

RL1＝R0/(2Q A0)＝1.705KΩ

RL2= A0×RL1＝1.705 KΩ

RL3= R0/[2Q (1+A0)]＝0.853 KΩ

图6  二阶无限增益多重反馈低通滤波器

    (4)输出波形：Oscilloscope-XSC2通道1输出的为原始波形，通道2输出的是放大以后的波形再经滤波形成的波形。将Oscilloscope-XSC1的通道二的图形和Oscilloscope-XSC2的通道二的图形进行比较，可以看出滤波的效果。当频率为500HZ，100HZ，50KHZ时对应不同的滤波效果，频率为500HZ的输出波形与滤波前无幅度大小变化，频率为100HZ，50KHZ的输出波形比滤波前幅度小。见附录。

    (5)幅频特性仿真：经由一级二阶低通与一级二阶高通级联构成二阶带通滤波器应具有在300HZ和30KHZ之间的通带效果，如图7所示，满足设计要求。

图7  二阶带通滤波器幅频特性仿真结果

六、实验体会

本次实验应用的是模电知识，利用multisim进行信号放大及二阶低通与高通滤波器的设计与仿真，虽然实验很简单但是收获仍然不少，经过课后对模电知识的复习，经过不断的尝试与修改，终于将实验结果显示出来了。以前虽然学过模电课程，但是由于很长时间没有接触，有些忘记了，经过这一次的实验，我发现对那些知识又有了更深的了解，相信对我的考研也有一定的帮助。对于软件的使用我还是存在一些问题，示波器，信号发生器的接线不是很熟悉，需要自己再去学习和使用。

7、实验原理及仿真图

实验原理及仿真图如图8所示。

图8  实验原理及仿真图

八、附录：

图9

图10

图11