濾波器在多通道聲發(fā)射監(jiān)測儀中的應(yīng)用

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：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。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。

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fO和品質(zhì)因數(shù)Q。實際濾波器的中心頻率fO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。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MAXlIM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。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PO．2、PO．3、PO．4和PO．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。
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fO和Q調(diào)試出來，再結(jié)合文獻計算出各個頻點相應(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。

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fO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fO(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131kHz的時鐘輸入，同時通過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。

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3500 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2225 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。

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。