语音滤波器设计
谢钦 电子信息工程学院
摘要： 语音滤波器是属于有源滤波器，有源滤波器实际上是一种具有特定频率响应的放大
器。它是在运算放大器的基础上增加一些R 、C 等无源元件而构成的。
Abstract : Voice filters are active filters, active filter is actually a frequency response with a
specific amplifier. It is based on the op amp to add some R, C, etc. consisting of passive components.
关键词：有源滤波器 运算放大器 高通滤波
Keywords : Active Filters Operational Amplifier High-pass filter
1引言
1.1滤波器的概况
滤波器是一种选频装置，可以使信号中特定的频率成分通过，而极大地衰减其它频率成分。在测试装置中，利用滤波器的这种选频作用，可以滤除干扰噪声或进行频谱分析。
广义地讲，任何一种信息传输的通道（媒质）都可视为是一种滤波器。因为，任何装置的响应特性都是激励频率的函数，都可用频域函数描述其传输特性。因此，构成测试系统的任何一个环节，诸如机械系统、电气网络、仪器仪表甚至连接导线等等，都将在一定频率范围内，按其频域特性，对所通过的信号进行变换与处理。
本课题所述内容属于模拟滤波范围。主要介绍模拟滤波器原理、种类、数学模型、主要参数、ＲＣ滤波器设计。尽管数字滤波技术已得到广泛应用，但模拟滤波在自动检测、自动控制以及电子测量仪器中仍被广泛应用。 1.2滤波器的发展与应用
滤波器在数值信号处理中有广泛的应用，为此我们将滤波器作简单介绍，达到抛砖引玉的作用。若滤波器的输入、输出都是离散时间信号，那么，该滤波器的冲击响应（或滤波因子）也必然是离散的，我们称这样的滤波器为数字滤波器（digital filter ，df ）。当用硬件实现一个df 时，所需的元件是延迟器、乘法器和加法器。当在计算机上用软件实现时，它就是一段线性褶积（或卷积）的程序。我们知道，模拟滤波器（analog filter，af ）只能用硬件来实现，其元器件是r ，l ，c 及运算放大器或开关电路。因此，df 的实现要比af 容易的多，而且易获得较为理想的效果。
滤波器的种类很多，分类方法也不同，如可以从功能上分，也可以从实现方法上分，或从设计方法上来分等等。但总的来说，滤波器可以分为两大类，即经典滤波器和现代滤波器。经典滤波器是假定输入信号x(n)中的有效信号和噪声（或干扰）信号成分各在不同的频带，当x(n)通过一个线性滤波系统后，可以将欲噪声信号成分有效地去除。可是，如果有效信号和噪声信号的频率带相互重叠，那么经典的滤波器将无能为力。现在的地质雷达信号处理中的滤波器主要采用经典的滤波器进行处理。因此有时滤波效果较好，有时较差。
现代滤波理论研究的主要内容是从含有噪声的数据记录（又称为时间序列）中估计出信号的某些特征或信号本身。一旦信号被估计出，那么估计出的信号将比原信号会有高的信噪比。现代滤波器把信号和噪声都视为随机信号，利用它们的统计特征（如自相关函数、功率谱函数等等）导出一套最佳的估值算法，然后用硬件和软件实现。目前现代滤波器主要有：维纳滤波器、卡尔曼滤波器、线性预测器、自适应滤波器等，很多专家将基于特征分解的频率估计及奇异值分解算法都归入现代滤波器的范畴。gr 雷达信号处理分析系统中的信号分析中的滑动平均谱和常规处理中的反褶积运算采用了现代处理的部分功能。
目前gr 雷达信号处理分析系统开发人员目前仍在摸索和试算现代滤波器处理的各种算法，我想在不久的将来，必将推出在地质雷达中应用中效果极佳的现代滤波器。
2方案设计
2.1设计要求
①分别用压控电压源和无限增益多路反馈二种方法设计电路； ②截止频率f H=3000H Z , f l=300H Z ；
③阻带衰减速率为-40dB/10倍频程，增益A V =10； 注：可使用实验室电源。 2.2设计原理
语音滤波器是属于有源滤波器，有源滤波器实际上是一种具有特定频率响应的放大器。它是在运算放大器的基础上增加一些R 、C 等无源元件而构成的。
通常有源滤波器分为：低通滤波器（LPF ）、高通滤波器（HPF ）、带通滤波器（BPF ）、带阻滤波器（BEF ）。滤波器主要用来滤除信号中无用的频率成分，例如，有一个较低频率的信号，其中包含一些较高频率成分的干扰 2.3滤波设计
若要求高通滤波器的阻带特性下降速率大于40dB ／10oct ，必须采用高阶高通滤波器，同高阶低通滤波器一样，也是最常采用巴特沃思型和切比雪夫型近似，同样也是先查表，得到分母多项式，分别 滤波器幅频特性
用一阶高通滤波器或二阶高通滤波器电路级联，来实现高阶高通滤波器电路。在此不再赘述。实验平台采用独立分离式结构设计，因此可以通过连接线构成多种适合不同传感器输出特性的滤波器。滤波器的种类很多，从功能上可以分为低通、高通、带通、带阻滤波器，从设计方法上分为巴特沃斯型、切比雪夫型、贝塞尔型滤波器等。
理想滤波器通式：
b 0S m +b 1S m -1+ +b m -1+b m
（m ≤n ） K (S ) =n n -1
S +a 1S + a n -1S +a n
二阶滤波器通式：
2
A VP ωn
低通滤波器 K (S ) = （2-2）
2
S 2+n S +ωn
Q A VP S 2
高通滤波器 K (S ) = （2-3）
2
S 2+n S +ωn
Q
A VP
ωn
Q
S
带通滤波器 K (S ) =
S 2+
n
Q
（2-4）
2
S +ωn
带阻滤波器 K (S ) =
A VP (S 2+ω2) S 2+
n
Q
（2-5）
2
S +ωn
3单元电路设计
3.1 压控电压源电路
二阶压控型有源低通滤波器的电路图如图1 (1)通带增益
A v p =1+
(2)传递函数
R f R 1
图1二阶压控型有源低通滤波器的电路
1+(3-A v p ) sCR +(sCR ) 2
经过代入公式计算得到：
R1=2.4075Kohm R2=2.692Kohm C1=65.75nF C2=13.15nF C3=65.75nF
A v (s ) =
(sCR ) 2A v p
3.2 无限增益多路反馈电路 二阶高通滤波器的电路图如图2 (1)通带增益
A V =-C/C1;
(2)二阶滤波器通式
K (S ) =
S 2+
A VP S 2
n
Q
;
2
S +ωn
经过代入公式计算可得：
R3=1.495Kohm R4=2.692Kohm R5=2.692 Kohm R6=2.692Kohm C4=33nF C5=33Nf
图2二阶高通滤波器电路
4总体电路设计
4.1总体电路图
4.2仿真测试得到的数据
4.2仿真测试得到的幅频曲线
综上可知：仿真结果得到的截止频率fH=4000HZ,fl=500HZ，增益A V =8.78；与要求的截止频率fH=3000HZ,fl=300HZ相差不大，处于误差允许范围内，所以此电路设计符合要求。
5实物制作与测试
5.1实物制作
在单元电路设计中，计算得到的各元件值属于理想值，而实际的电阻、电容等元件的参数值不可能是那样的，所以具体元器件值应选择靠近理想值。元器件选用清单见附录一。 焊接参照图
因为是在万用板上进行焊接，所以有必要先画好一个焊接参照图，以防止焊错。经过两个多小时的焊接得到了下面这个焊接成品。
5.1实物测试
5.11经过测试得到一组数据
5.12绘制幅频特性曲线
5.13阻带衰减速率
经计算得到 截止频率fH=3000HZ,fl=600HZ，增益A V =8.29，基本符合设计要求。
6设计心得体会
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，再加上实际动手能力的培养三者结合起来的。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。
参考文献
1、《电工电子实践指导》（第二版），王港元主编，江西科学技术出版社（2005） 2、《电子线路设计、实验、测试》（第二版），谢自美主编，华中理工大学出版社（2000） 3、《电子线路设计应用手册》，张友汉主编，福建科学技术出版社（2000） 4、《555集成电路实用大全》，郝鸿安等主编，上海科学普及出版社
5、《电子技术基础实验研究与设计》，陈兆仁主编，电子工业出版社（2000） 6、《毕满清主编，电子技术实验与课程设计》， 机械工业出版社。 7、《用万用表检测电子元器件》，杜龙林编，辽宁科学技术出版社（2001） 8、《新型集成电路的应用》，梁宗善，华中理工大学出版社（2001） 9、《新颖实用电子设计与制作》，杨振江等编，西安电子科大出版社（2000）
附录
附录一
语音滤波器设计
谢钦 电子信息工程学院
摘要： 语音滤波器是属于有源滤波器，有源滤波器实际上是一种具有特定频率响应的放大
器。它是在运算放大器的基础上增加一些R 、C 等无源元件而构成的。
Abstract : Voice filters are active filters, active filter is actually a frequency response with a
specific amplifier. It is based on the op amp to add some R, C, etc. consisting of passive components.
关键词：有源滤波器 运算放大器 高通滤波
Keywords : Active Filters Operational Amplifier High-pass filter
1引言
1.1滤波器的概况
滤波器是一种选频装置，可以使信号中特定的频率成分通过，而极大地衰减其它频率成分。在测试装置中，利用滤波器的这种选频作用，可以滤除干扰噪声或进行频谱分析。
广义地讲，任何一种信息传输的通道（媒质）都可视为是一种滤波器。因为，任何装置的响应特性都是激励频率的函数，都可用频域函数描述其传输特性。因此，构成测试系统的任何一个环节，诸如机械系统、电气网络、仪器仪表甚至连接导线等等，都将在一定频率范围内，按其频域特性，对所通过的信号进行变换与处理。
本课题所述内容属于模拟滤波范围。主要介绍模拟滤波器原理、种类、数学模型、主要参数、ＲＣ滤波器设计。尽管数字滤波技术已得到广泛应用，但模拟滤波在自动检测、自动控制以及电子测量仪器中仍被广泛应用。 1.2滤波器的发展与应用
滤波器在数值信号处理中有广泛的应用，为此我们将滤波器作简单介绍，达到抛砖引玉的作用。若滤波器的输入、输出都是离散时间信号，那么，该滤波器的冲击响应（或滤波因子）也必然是离散的，我们称这样的滤波器为数字滤波器（digital filter ，df ）。当用硬件实现一个df 时，所需的元件是延迟器、乘法器和加法器。当在计算机上用软件实现时，它就是一段线性褶积（或卷积）的程序。我们知道，模拟滤波器（analog filter，af ）只能用硬件来实现，其元器件是r ，l ，c 及运算放大器或开关电路。因此，df 的实现要比af 容易的多，而且易获得较为理想的效果。
滤波器的种类很多，分类方法也不同，如可以从功能上分，也可以从实现方法上分，或从设计方法上来分等等。但总的来说，滤波器可以分为两大类，即经典滤波器和现代滤波器。经典滤波器是假定输入信号x(n)中的有效信号和噪声（或干扰）信号成分各在不同的频带，当x(n)通过一个线性滤波系统后，可以将欲噪声信号成分有效地去除。可是，如果有效信号和噪声信号的频率带相互重叠，那么经典的滤波器将无能为力。现在的地质雷达信号处理中的滤波器主要采用经典的滤波器进行处理。因此有时滤波效果较好，有时较差。
现代滤波理论研究的主要内容是从含有噪声的数据记录（又称为时间序列）中估计出信号的某些特征或信号本身。一旦信号被估计出，那么估计出的信号将比原信号会有高的信噪比。现代滤波器把信号和噪声都视为随机信号，利用它们的统计特征（如自相关函数、功率谱函数等等）导出一套最佳的估值算法，然后用硬件和软件实现。目前现代滤波器主要有：维纳滤波器、卡尔曼滤波器、线性预测器、自适应滤波器等，很多专家将基于特征分解的频率估计及奇异值分解算法都归入现代滤波器的范畴。gr 雷达信号处理分析系统中的信号分析中的滑动平均谱和常规处理中的反褶积运算采用了现代处理的部分功能。
目前gr 雷达信号处理分析系统开发人员目前仍在摸索和试算现代滤波器处理的各种算法，我想在不久的将来，必将推出在地质雷达中应用中效果极佳的现代滤波器。
2方案设计
2.1设计要求
①分别用压控电压源和无限增益多路反馈二种方法设计电路； ②截止频率f H=3000H Z , f l=300H Z ；
③阻带衰减速率为-40dB/10倍频程，增益A V =10； 注：可使用实验室电源。 2.2设计原理
语音滤波器是属于有源滤波器，有源滤波器实际上是一种具有特定频率响应的放大器。它是在运算放大器的基础上增加一些R 、C 等无源元件而构成的。
通常有源滤波器分为：低通滤波器（LPF ）、高通滤波器（HPF ）、带通滤波器（BPF ）、带阻滤波器（BEF ）。滤波器主要用来滤除信号中无用的频率成分，例如，有一个较低频率的信号，其中包含一些较高频率成分的干扰 2.3滤波设计
若要求高通滤波器的阻带特性下降速率大于40dB ／10oct ，必须采用高阶高通滤波器，同高阶低通滤波器一样，也是最常采用巴特沃思型和切比雪夫型近似，同样也是先查表，得到分母多项式，分别 滤波器幅频特性
用一阶高通滤波器或二阶高通滤波器电路级联，来实现高阶高通滤波器电路。在此不再赘述。实验平台采用独立分离式结构设计，因此可以通过连接线构成多种适合不同传感器输出特性的滤波器。滤波器的种类很多，从功能上可以分为低通、高通、带通、带阻滤波器，从设计方法上分为巴特沃斯型、切比雪夫型、贝塞尔型滤波器等。
理想滤波器通式：
b 0S m +b 1S m -1+ +b m -1+b m
（m ≤n ） K (S ) =n n -1
S +a 1S + a n -1S +a n
二阶滤波器通式：
2
A VP ωn
低通滤波器 K (S ) = （2-2）
2
S 2+n S +ωn
Q A VP S 2
高通滤波器 K (S ) = （2-3）
2
S 2+n S +ωn
Q
A VP
ωn
Q
S
带通滤波器 K (S ) =
S 2+
n
Q
（2-4）
2
S +ωn
带阻滤波器 K (S ) =
A VP (S 2+ω2) S 2+
n
Q
（2-5）
2
S +ωn
3单元电路设计
3.1 压控电压源电路
二阶压控型有源低通滤波器的电路图如图1 (1)通带增益
A v p =1+
(2)传递函数
R f R 1
图1二阶压控型有源低通滤波器的电路
1+(3-A v p ) sCR +(sCR ) 2
经过代入公式计算得到：
R1=2.4075Kohm R2=2.692Kohm C1=65.75nF C2=13.15nF C3=65.75nF
A v (s ) =
(sCR ) 2A v p
3.2 无限增益多路反馈电路 二阶高通滤波器的电路图如图2 (1)通带增益
A V =-C/C1;
(2)二阶滤波器通式
K (S ) =
S 2+
A VP S 2
n
Q
;
2
S +ωn
经过代入公式计算可得：
R3=1.495Kohm R4=2.692Kohm R5=2.692 Kohm R6=2.692Kohm C4=33nF C5=33Nf
图2二阶高通滤波器电路
4总体电路设计
4.1总体电路图
4.2仿真测试得到的数据
4.2仿真测试得到的幅频曲线
综上可知：仿真结果得到的截止频率fH=4000HZ,fl=500HZ，增益A V =8.78；与要求的截止频率fH=3000HZ,fl=300HZ相差不大，处于误差允许范围内，所以此电路设计符合要求。
5实物制作与测试
5.1实物制作
在单元电路设计中，计算得到的各元件值属于理想值，而实际的电阻、电容等元件的参数值不可能是那样的，所以具体元器件值应选择靠近理想值。元器件选用清单见附录一。 焊接参照图
因为是在万用板上进行焊接，所以有必要先画好一个焊接参照图，以防止焊错。经过两个多小时的焊接得到了下面这个焊接成品。
5.1实物测试
5.11经过测试得到一组数据
5.12绘制幅频特性曲线
5.13阻带衰减速率
经计算得到 截止频率fH=3000HZ,fl=600HZ，增益A V =8.29，基本符合设计要求。
6设计心得体会
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，再加上实际动手能力的培养三者结合起来的。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。
参考文献
1、《电工电子实践指导》（第二版），王港元主编，江西科学技术出版社（2005） 2、《电子线路设计、实验、测试》（第二版），谢自美主编，华中理工大学出版社（2000） 3、《电子线路设计应用手册》，张友汉主编，福建科学技术出版社（2000） 4、《555集成电路实用大全》，郝鸿安等主编，上海科学普及出版社
5、《电子技术基础实验研究与设计》，陈兆仁主编，电子工业出版社（2000） 6、《毕满清主编，电子技术实验与课程设计》， 机械工业出版社。 7、《用万用表检测电子元器件》，杜龙林编，辽宁科学技术出版社（2001） 8、《新型集成电路的应用》，梁宗善，华中理工大学出版社（2001） 9、《新颖实用电子设计与制作》，杨振江等编，西安电子科大出版社（2000）
附录
附录一