濾波器在多通道聲發(fā)射監(jiān)測(cè)儀中的應(yīng)用

巖體聲發(fā)射是指巖體在外力作用下，其內(nèi)部會(huì)存在缺陷或不均質(zhì)部位，首先儲(chǔ)蓄著應(yīng)變能，當(dāng)這種應(yīng)變能儲(chǔ)蓄到一定程度時(shí)便以彈性波的形式釋放，并由源點(diǎn)向四周傳播開(kāi)去的現(xiàn)象。它在很大程度上反映了巖體受力后的活動(dòng)狀態(tài)，可作為預(yù)測(cè)、預(yù)報(bào)、評(píng)價(jià)巖質(zhì)工程結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的重要依據(jù)?；缕屏衙孀粉櫠ㄎ幌到y(tǒng)的硬件是一個(gè)8通道聲發(fā)射監(jiān)測(cè)儀，該監(jiān)測(cè)儀的主要功能是通過(guò)設(shè)置于空間不同部位的傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)并采集滑坡滑動(dòng)面變形破裂過(guò)程中所激發(fā)出的巖體聲發(fā)射波，根據(jù)其首次波到達(dá)的時(shí)間差來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)聲發(fā)射源的定位，從而實(shí)現(xiàn)滑動(dòng)面破裂實(shí)時(shí)追蹤與滑坡預(yù)報(bào)，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(cè)過(guò)程中，由傳感器所感應(yīng)到的聲發(fā)射信號(hào)是多頻率混淆分布的，并且還有一些并不是監(jiān)測(cè)所需的頻段信號(hào)干擾，因此，必須根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)抗混淆濾波的需要，對(duì)探頭感應(yīng)到的聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)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(hào)。

1 信號(hào)采集器中濾波部分的參數(shù)設(shè)計(jì)要求
該聲發(fā)射監(jiān)測(cè)儀主要由探頭、信號(hào)采集器、收發(fā)器、主機(jī)(PC機(jī))及電源組成。每一個(gè)通道有1個(gè)探頭、1臺(tái)信號(hào)采集器，根據(jù)監(jiān)測(cè)區(qū)域的大小、實(shí)際選用電纜的性能及“探頭矩陣法”的分析，選擇使用8個(gè)通道來(lái)進(jìn)行聲發(fā)射信號(hào)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，將8個(gè)通道分布在監(jiān)測(cè)區(qū)的不同位置上。
每一個(gè)信號(hào)采集器的結(jié)構(gòu)相當(dāng)于一個(gè)獨(dú)立的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，位于被測(cè)對(duì)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(dú)立完成信號(hào)的處理、采集和存儲(chǔ)，其具體的結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖1。采集到的聲發(fā)射模擬信號(hào)經(jīng)A／D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，存儲(chǔ)于暫存器中，由發(fā)送／接收單元以無(wú)線通信的方式傳送到PC機(jī)。

在信號(hào)處理模塊中，要先對(duì)由探頭傳送來(lái)的聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行濾波處理。在該設(shè)計(jì)中，要求使用帶通濾波器，按照低工作電壓、低功耗的原則進(jìn)行設(shè)計(jì)。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：100Hz、500 Hz、950 Hz；低通：1050 Hz、2000 Hz、3500 Hz。
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(jí)聯(lián)而成的。
由于在聲發(fā)射監(jiān)測(cè)過(guò)程中需要對(duì)監(jiān)測(cè)到的信號(hào)進(jìn)行不同截止頻率的濾波分析，所以信號(hào)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(jì)中常采用多級(jí)選頻電路串聯(lián)或者通過(guò)切換RC網(wǎng)絡(luò)的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)多頻段濾波。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(cè)儀中選擇使用可程控的開(kāi)關(guān)電容有源濾波器MAX262來(lái)實(shí)現(xiàn)多頻段程控帶通濾波。
為了提高監(jiān)測(cè)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(diǎn)，能夠滿足系統(tǒng)要求，所以選擇用切比雪夫響應(yīng)進(jìn)行程控帶通濾波器的設(shè)計(jì)。

2 多頻段切比雪夫型帶通濾波器
2．1 MAX262簡(jiǎn)介
MAX262作為MAXIM公司推出的雙二階通用開(kāi)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(shí)鐘最大為4 MHz，可以通過(guò)微處理器精確控制濾波器的傳遞函數(shù)，利用對(duì)中心頻率和品質(zhì)因數(shù)的編程設(shè)置，實(shí)現(xiàn)64級(jí)中心頻率、128級(jí)品質(zhì)因數(shù)的智能控制，并且可以通過(guò)附帶的濾波器設(shè)計(jì)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(shí)，硬件電路采用CMOS工藝制造完成，無(wú)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。

MAX262內(nèi)部有2個(gè)二階濾波器A和B，它們可以單獨(dú)使用，也可級(jí)聯(lián)成四階濾波器使用。每個(gè)濾波器組件都有其各自的輸入時(shí)鐘fCLK、獨(dú)立的中心頻率fO和品質(zhì)因數(shù)Q。實(shí)際濾波器的中心頻率fO由濾波器的輸入時(shí)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(gè)組件的品質(zhì)因數(shù)Q是由7位控制字(Q0～Q6)獨(dú)立設(shè)置的。外部時(shí)鐘分別從引腳CLKA、CLKB引入，對(duì)外部時(shí)鐘無(wú)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(cè)儀中的應(yīng)用
2．2．1 硬件設(shè)計(jì)
在聲發(fā)射監(jiān)測(cè)儀的信號(hào)采集模塊中，通過(guò)單片機(jī)C8051F020改變MAX262的控制字和工作方式來(lái)實(shí)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(gè)二階濾波器是完全獨(dú)立的，利用MAX262內(nèi)部的濾波器A實(shí)現(xiàn)低通濾波，濾波器B實(shí)現(xiàn)高通濾波，再將兩個(gè)濾波器級(jí)聯(lián)起來(lái)，以實(shí)現(xiàn)滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(duì)不同的截止頻率和工作模式，在不超過(guò)MAX262的比率的范圍情況下，必須提供多種不同的時(shí)鐘頻率。本設(shè)計(jì)中采用MAXlIM公司的DS1099振蕩器來(lái)為MAX262的兩個(gè)濾波器提供所需的不同時(shí)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(hào)，經(jīng)過(guò)對(duì)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(jìn)行編程設(shè)置。獨(dú)立的使能控制端可分別啟用或禁用兩路輸出信號(hào)。這里根據(jù)設(shè)計(jì)要求，經(jīng)過(guò)多次計(jì)算，需要兩個(gè)DS1099提供2種不同時(shí)鐘頻率，并要求廠家將這兩個(gè)DS1099的4個(gè)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(hào)時(shí)，通過(guò)C8051F020程序控制選擇合適的濾波器輸入時(shí)鐘。由PO．2、PO．3、PO．4和PO．5等4個(gè)I／O接口分別控制2個(gè)DS1099的使能端，選擇濾波器所需的輸入時(shí)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(xiě)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(gè)8 D觸發(fā)器74HC374來(lái)進(jìn)行緩沖／鎖存。在濾波信號(hào)輸出時(shí)，由于MAX262的輸出波形為臺(tái)階狀的采樣信號(hào)，輸出波形的“階梯”以?xún)?nèi)部采樣速率(fCLK／2)出現(xiàn)，所以在信號(hào)輸出端口加一個(gè)單極點(diǎn)RC平滑濾波器來(lái)減小這種臺(tái)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T(mén)TL和CMOS電平兼容，同時(shí)還可以降低供電時(shí)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。
2．2．2 軟件設(shè)計(jì)
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(jì)軟件，把實(shí)現(xiàn)該濾波要求的fO和Q調(diào)試出來(lái)，再結(jié)合文獻(xiàn)計(jì)算出各個(gè)頻點(diǎn)相應(yīng)的濾波器編程系數(shù)。最后，再次利用相應(yīng)的濾波設(shè)計(jì)輔助軟件對(duì)參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，使設(shè)計(jì)結(jié)果達(dá)到最佳。調(diào)整后濾波器組件的各個(gè)頻點(diǎn)的設(shè)計(jì)參數(shù)和相應(yīng)的編程系數(shù)見(jiàn)表1。

通過(guò)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(chǔ)器的內(nèi)容是通過(guò)寫(xiě)入由A0～A3選中的地址來(lái)更新的，D0和D1為編程參數(shù)的輸入。存儲(chǔ)器地址單元的劃分如圖2所示。數(shù)據(jù)在的上升沿時(shí)被儲(chǔ)存到選中的單元中。由表2可見(jiàn)每個(gè)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(xiě)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(shí)，方式1和方式2均可實(shí)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(gè)時(shí)鐘頻率下選擇較寬的中心頻率fO覆蓋范圍。方式3是實(shí)現(xiàn)高通濾波器的唯一方式。
當(dāng)要實(shí)現(xiàn)低通3 500 Hz和高通950 Hz組合而成的帶通濾波功能時(shí)，先對(duì)實(shí)現(xiàn)低通的濾波器A的時(shí)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(shí)鐘輸入，同時(shí)通過(guò)編程控制將工作模式(01)、中心頻率fO(000011)、品質(zhì)因數(shù)Q(0010010)的設(shè)置參數(shù)通過(guò)8次(0～7地址單元)寫(xiě)入到MAX262內(nèi)部的寄存器中。再對(duì)實(shí)現(xiàn)高通的濾波器B的時(shí)鐘頻率作出選擇，僅使P0．3口輸出低電平，從而選擇131kHz的時(shí)鐘輸入，同時(shí)通過(guò)編程控制將工作模式(10)、中心頻率fO(011000)、品質(zhì)因數(shù)Q(0110100)的設(shè)置參數(shù)通過(guò)8次(8～15地址單元)寫(xiě)入到MAX262內(nèi)部的寄存器中。設(shè)置完成后，MAX262就按照當(dāng)前所要求的中心頻率和Q值對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行濾波處理了。其主程序流程如圖4所示。

2．2．3 實(shí)測(cè)結(jié)果
在實(shí)際測(cè)試中，將濾波器A的中心頻率設(shè)定為3500 Hz，濾波器B的中心頻率設(shè)定為950 Hz，即級(jí)聯(lián)而成的帶通濾波器的中心頻率為2225 Hz，通帶寬度為2 550 Hz，對(duì)由探頭傳來(lái)的聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行濾波處理后的實(shí)測(cè)結(jié)果如圖5所示。

從實(shí)測(cè)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(hào)，基本達(dá)到設(shè)計(jì)要求。實(shí)際設(shè)置的濾波器參數(shù)與計(jì)算得到的濾波器參數(shù)之間存在些差異，但這些誤差對(duì)濾波特性影響不大，實(shí)際測(cè)試得到了比較滿意的濾波效果。

3 結(jié)束語(yǔ)
本系統(tǒng)充分發(fā)揮了C8051F020單片機(jī)強(qiáng)大的控制能力和數(shù)據(jù)處理能力，并基于MAX262實(shí)現(xiàn)了可程控帶通濾波器(高通和低通級(jí)聯(lián)而成)的設(shè)計(jì)。此濾波電路具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、外圍元件少、頻響好、使用靈活的優(yōu)點(diǎn)。它只需1片MAX262，通過(guò)內(nèi)部濾波器A和B的級(jí)聯(lián)就能很容易完成四階帶通濾波器電路的設(shè)計(jì)，并且利用兩片DS1099時(shí)鐘產(chǎn)生器，滿足了多個(gè)截止頻率所要求的不同輸入時(shí)鐘。另外，該電路稍加改動(dòng)后，還可通過(guò)對(duì)不同參數(shù)和N值的設(shè)置，來(lái)實(shí)現(xiàn)全通、低通、高通、帶通等濾波器的設(shè)計(jì)。對(duì)于MAX262的時(shí)鐘輸入，還可以有更理想的設(shè)計(jì)方法，可以考慮直接利用單片機(jī)內(nèi)部的振蕩器，經(jīng)由性能良好的時(shí)鐘分頻器的適當(dāng)分頻后，得到可覆蓋更廣工作頻率范圍的多個(gè)時(shí)鐘頻率，這樣可以更進(jìn)一步簡(jiǎn)化電路。