MAX262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。