MAX262濾波器在多通道聲發(fā)射監(jiān)測儀中的應(yīng)用

周 弦，熊慶國，熊 斌，邵 帥

（武漢科技大學 信息科學與工程學院，湖北 武漢 430081）

巖體聲發(fā)射是指巖體在外力作用下，其內(nèi)部會存在缺陷或不均質(zhì)部位，首先儲蓄著應(yīng)變能，當這種應(yīng)變能儲蓄到一定程度時便以彈性波的形式釋放，并由源點向四周傳播開去的現(xiàn)象。它在很大程度上反映了巖體受力后的活動狀態(tài)，可作為預(yù)測、預(yù)報、評價巖質(zhì)工程結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的重要依據(jù)[1]?；缕屏衙孀粉櫠ㄎ幌到y(tǒng)的硬件是一個8通道聲發(fā)射監(jiān)測儀，該監(jiān)測儀的主要功能是通過設(shè)置于空間不同部位的傳感器實時檢測并采集滑坡滑動面變形破裂過程中所激發(fā)出的巖體聲發(fā)射波，根據(jù)其首次波到達的時間差來實現(xiàn)對聲發(fā)射源的定位，從而實現(xiàn)滑動面破裂實時追蹤與滑坡預(yù)報，使工作人員能提前有的放矢地加固這些巖土體工程，以預(yù)防災(zāi)害的發(fā)生，減小事故損失。

在聲發(fā)射監(jiān)測過程中，由傳感器所感應(yīng)到的聲發(fā)射信號是多頻率混淆分布的，并且還有一些并不是監(jiān)測所需的頻段信號干擾，因此，必須根據(jù)現(xiàn)場信號抗混淆濾波的需要，對探頭感應(yīng)到的聲發(fā)射信號進行指定截止頻率的高低通濾波處理，從而得到真正有效，有助于滑坡危害分析的聲發(fā)射信號。

1 信號采集器中濾波部分的參數(shù)設(shè)計要求

該聲發(fā)射監(jiān)測儀主要由探頭、信號采集器、收發(fā)器、主機（PC機）及電源組成。每一個通道有1個探頭、1臺信號采集器，根據(jù)監(jiān)測區(qū)域的大小、實際選用電纜的性能及“探頭矩陣法”的分析，選擇使用8個通道來進行聲發(fā)射信號的實時監(jiān)測，將8個通道分布在監(jiān)測區(qū)的不同位置上。

每一個信號采集器的結(jié)構(gòu)相當于一個獨立的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，位于被測對象附近（有些應(yīng)用中直接將其與探頭傳感器整裝在一起），可獨立完成信號的處理、采集和存儲，其具體的結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。采集到的聲發(fā)射模擬信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，存儲于暫存器中，由發(fā)送/接收單元以無線通信的方式傳送到PC機。

在信號處理模塊中，要先對由探頭傳送來的聲發(fā)射信號進行濾波處理。在該設(shè)計中，要求使用帶通濾波器，按照低工作電壓、低功耗的原則進行設(shè)計。其中，濾波器的截止頻率要求可以由程序控制，高通和低通濾波的截止頻率各有3檔，數(shù)值如下：高通：100 Hz、500 Hz、950 Hz；低通：1 050 Hz、2 000 Hz、3 500 Hz。

圖1 信號采集器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of signal acquisition

由結(jié)構(gòu)示意圖可知，該程控帶通濾波器是由低通濾波器和高通濾波器級聯(lián)而成的。

由于在聲發(fā)射監(jiān)測過程中需要對監(jiān)測到的信號進行不同截止頻率的濾波分析，所以信號處理單元中的帶通濾波器必須滿足多頻段的濾波要求。在以往的設(shè)計中常采用多級選頻電路串聯(lián)或者通過切換RC網(wǎng)絡(luò)的方法來實現(xiàn)多頻段濾波[2]。但由于這些方法需要較多的元器件，且參數(shù)調(diào)整較為困難，因此在聲發(fā)射監(jiān)測儀中選擇使用可程控的開關(guān)電容有源濾波器MAX262來實現(xiàn)多頻段程控帶通濾波。

為了提高監(jiān)測的精確度，必須使系統(tǒng)中的濾波器通帶盡量窄，即在接近通帶的止帶能產(chǎn)生最佳的衰減，并希望濾波器的階數(shù)在滿足前提條件下盡可能小。切比雪夫型濾波器就具有上述特點，能夠滿足系統(tǒng)要求，所以選擇用切比雪夫響應(yīng)進行程控帶通濾波器的設(shè)計。

2 多頻段切比雪夫型帶通濾波器

2.1 MAX262簡介

MAX262作為MAXIM公司推出的雙二階通用開關(guān)電容有源濾波器，其中心頻率范圍為1.0 Hz～140 kHz，輸入時鐘最大為4 MHz，可以通過微處理器精確控制濾波器的傳遞函數(shù)，利用對中心頻率和品質(zhì)因數(shù)的編程設(shè)置，實現(xiàn)64級中心頻率、128級品質(zhì)因數(shù)的智能控制，并且可以通過附帶的濾波器設(shè)計軟件，任意改善濾波特性。其工作原理圖如圖2所示。與此同時，硬件電路采用CMOS工藝制造完成，無需外部元件即可構(gòu)成各種帶通、低通、高通、陷波及全通濾波器[3]。

圖2 MAX262工作原理圖Fig.2 Block diagram of MAX262

MAX262內(nèi)部有2個二階濾波器A和B，它們可以單獨使用，也可級聯(lián)成四階濾波器使用。每個濾波器組件都有其各自的輸入時鐘fCLK、獨立的中心頻率f0和品質(zhì)因數(shù)Q。實際濾波器的中心頻率f0由濾波器的輸入時鐘頻率fCLK、6位中心頻率控制字（F0～F5）和工作方式（M0，M1）三者共同確定。每個組件的品質(zhì)因數(shù)Q是由7位控制字（Q0～Q6）獨立設(shè)置的[4]。外部時鐘分別從引腳CLKA、CLKB引入，對外部時鐘無占空比要求。但需要注意的是，在MAX262濾波器的內(nèi)部，其采樣速率是輸入（CLKA或CLKB）的一半。

2.2 在8通道聲發(fā)射監(jiān)測儀中的應(yīng)用

2.2.1 硬件設(shè)計

在聲發(fā)射監(jiān)測儀的信號采集模塊中，通過單片機C8051F020[5]改變MAX262的控制字和工作方式來實現(xiàn)不同截止頻率之間的切換。濾波模塊的硬件電路如圖3所示。

MAX262內(nèi)部的兩個二階濾波器是完全獨立的，利用MAX262內(nèi)部的濾波器A實現(xiàn)低通濾波，濾波器B實現(xiàn)高通濾波，再將兩個濾波器級聯(lián)起來，以實現(xiàn)滿足系統(tǒng)設(shè)計要求的四階切比雪夫型帶通濾波器。

由于低通三檔和高通三檔所要求的截止頻率都是低頻且間隔寬，所以針對不同的截止頻率和工作模式，在不超過MAX262的比率的范圍情況下，必須提供多種不同的時鐘頻率。本設(shè)計中采用MAXIM公司的DS1099振蕩器來為MAX262的兩個濾波器提供所需的不同時鐘頻率。DS1099是一款低成本、低功耗、低頻率的硅振蕩器，可產(chǎn)生雙路方波輸出信號，經(jīng)過對1.048 MHz主振蕩器的不同分頻，而使輸出頻率在0.25 Hz和1.048 MHz之間，所要輸出的頻率可以按要求由廠家進行編程設(shè)置。獨立的使能控制端可分別啟用或禁用兩路輸出信號[6]。這里根據(jù)設(shè)計要求，經(jīng)過多次計算，需要兩個DS1099提供2種不同時鐘頻率，并要求廠家將這兩個DS1099的4個頻率輸出口編程設(shè)置為 262、131、65.5及16.375 kHz。在接收低頻信號時，通過C8051F020程序控制選擇合適的濾波器輸入時鐘。由P0.2、P0.3、P0.4和P0.5等4個I/O接口分別控制2個DS1099的使能端，選擇濾波器所需的輸入時鐘。DS1099的正電源端均用旁路電容連接到地，以抗部分干擾、提高電路穩(wěn)定性。

MAX262的4位地址線和2位數(shù)據(jù)線分別連接到C8051F020的P3口的P3.0～P3.5。寫允許輸入端WR連接到P3.6。在濾波器輸出中，為了防止由于邏輯輸入的躍變而產(chǎn)生的某些噪聲，加一個8 D觸發(fā)器74HC374來進行緩沖/鎖存。在濾波信號輸出時，由于MAX262的輸出波形為臺階狀的采樣信號，輸出波形的“階梯”以內(nèi)部采樣速率（fCLK/2）出現(xiàn)，所以在信號輸出端口加一個單極點RC平滑濾波器來減小這種臺階噪聲干擾。在電源部分，采用±5 V雙電源供電，這樣可以保證地址和數(shù)據(jù)的輸入為TTL和CMOS電平兼容，同時還可以降低供電時的功耗。為了得到更好的性能，用旁路電容將V+和V-連接到地，這些電容應(yīng)盡可能放置在靠近電源引腳的地方。

圖3 濾波器硬件電路圖Fig.3 Fiter hardware schematic

2.2.2 軟件設(shè)計

根據(jù)濾波器中要用到的低通和高通各3檔的截止頻率及衰減限度，利用MAXIM公司提供的MAX260/261/262濾波器設(shè)計軟件，把實現(xiàn)該濾波要求的f0和Q調(diào)試出來，再結(jié)合文獻[3]計算出各個頻點相應(yīng)的濾波器編程系數(shù)[7]。最后，再次利用相應(yīng)的濾波設(shè)計輔助軟件對參數(shù)進行適當?shù)恼{(diào)整，使設(shè)計結(jié)果達到最佳。調(diào)整后濾波器組件的各個頻點的設(shè)計參數(shù)和相應(yīng)的編程系數(shù)見表1。

表1 濾波器設(shè)計參數(shù)和相應(yīng)的編程系數(shù)Tab.1 Filter design parameters and the corresponding programming parameters

通過程序控制C8051F020的P3.0～P3.5口，根據(jù)需要，在不同地址單元中存入相應(yīng)的數(shù)據(jù)信息。存儲器的內(nèi)容是通過寫入由A0～A3選中的地址來更新的，D0和D1為編程參數(shù)的輸入。存儲器地址單元的劃分如圖2所示。數(shù)據(jù)在WR的上升沿時被儲存到選中的單元中。由表2可見每個濾波器的工作模式、中心頻率、Q值所需編程數(shù)據(jù)均需要分8次寫入MAX262的內(nèi)部寄存器才能完成設(shè)置。

在選擇濾波器的工作方式時，方式1和方式2均可實現(xiàn)低通，其中方式1具有最高的帶寬，而方式2則可獲得較高的Q和較低的輸出噪聲。將兩種方式結(jié)合使用，可以在一個時鐘頻率下選擇較寬的中心頻率f0覆蓋范圍。方式3是實現(xiàn)高通濾波器的唯一方式。

當要實現(xiàn)低通3 500 Hz和高通950 Hz組合而成的帶通濾波功能時，先對實現(xiàn)低通的濾波器A的時鐘頻率作出選擇，僅使P0.2口輸出低電平，從而選擇262 kHz的時鐘輸入，同時通過編程控制將工作模式（01）、中心頻率 f0（000011）、品質(zhì)因數(shù)Q（0010010）的設(shè)置參數(shù)通過8次（0～7地址單元）寫入到MAX262內(nèi)部的寄存器中。再對實現(xiàn)高通的濾波器B的時鐘頻率作出選擇，僅使P0.3口輸出低電平，從而選擇131 kHz的時鐘輸入，同時通過編程控制將工作模式（10）、中心頻率 f0（011000）、品質(zhì)因數(shù) Q（0110100）的設(shè)置參數(shù)通過 8 次（8～15地址單元）寫入到MAX262內(nèi)部的寄存器中。設(shè)置完成后，MAX262就按照當前所要求的中心頻率和Q值對輸入信號進行濾波處理了。其主程序流程如圖4所示。

表2 程序控制字Tab.2 Program control word

圖4 主程序流程圖Fig.4 Flow chart of main program

2.2.3 實測結(jié)果

在實際測試中，將濾波器A的中心頻率設(shè)定為3 500 Hz，濾波器B的中心頻率設(shè)定為950 Hz，即級聯(lián)而成的帶通濾波器的中心頻率為2 225 Hz，通帶寬度為2 550 Hz，對由探頭傳來的聲發(fā)射信號進行濾波處理后的實測結(jié)果如圖5所示。

圖5 實測結(jié)果圖Fig.5 Actual testing results

從實測結(jié)果的截圖中可以看出，該濾波器可以有效地濾除不必要的信號，基本達到設(shè)計要求。實際設(shè)置的濾波器參數(shù)與計算得到的濾波器參數(shù)之間存在些差異，但這些誤差對濾波特性影響不大，實際測試得到了比較滿意的濾波效果。

3 結(jié)束語

本系統(tǒng)充分發(fā)揮了C8051F020單片機強大的控制能力和數(shù)據(jù)處理能力，并基于MAX262實現(xiàn)了可程控帶通濾波器（高通和低通級聯(lián)而成）的設(shè)計。此濾波電路具有結(jié)構(gòu)簡單、外圍元件少、頻響好、使用靈活的優(yōu)點。它只需1片MAX262，通過內(nèi)部濾波器A和B的級聯(lián)就能很容易完成四階帶通濾波器電路的設(shè)計，并且利用兩片DS1099時鐘產(chǎn)生器，滿足了多個截止頻率所要求的不同輸入時鐘。另外，該電路稍加改動后，還可通過對不同參數(shù)和N值的設(shè)置，來實現(xiàn)全通、低通、高通、帶通等濾波器的設(shè)計。對于MAX262的時鐘輸入，還可以有更理想的設(shè)計方法，可以考慮直接利用單片機內(nèi)部的振蕩器，經(jīng)由性能良好的時鐘分頻器的適當分頻后，得到可覆蓋更廣工作頻率范圍的多個時鐘頻率，這樣可以更進一步簡化電路。

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