MAX262濾波器在多通道聲發射監測儀中的應用

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）

巖體聲發射是指巖體在外力作用下，其內部會存在缺陷或不均質部位，首先儲蓄著應變能，當這種應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象。它在很大程度上反映了巖體受力后的活動狀態，可作為預測、預報、評價巖質工程結構穩定性的重要依據[1]。滑坡破裂面追蹤定位系統的硬件是一個8通道聲發射監測儀，該監測儀的主要功能是通過設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出的巖體聲發射波，根據其首次波到達的時間差來實現對聲發射源的定位，從而實現滑動面破裂實時追蹤與滑坡預報，使工作人員能提前有的放矢地加固這些巖土體工程，以預防災害的發生，減小事故損失。

在聲發射監測過程中，由傳感器所感應到的聲發射信號是多頻率混淆分布的，并且還有一些并不是監測所需的頻段信號干擾，因此，必須根據現場信號抗混淆濾波的需要，對探頭感應到的聲發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射信號。

1 信號采集器中濾波部分的參數設計要求

該聲發射監測儀主要由探頭、信號采集器、收發器、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，根據監測區域的大小、實際選用電纜的性能及“探頭矩陣法”的分析，選擇使用8個通道來進行聲發射信號的實時監測，將8個通道分布在監測區的不同位置上。

每一個信號采集器的結構相當于一個獨立的數據采集系統，位于被測對象附近（有些應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，其具體的結構示意圖見圖1。采集到的聲發射模擬信號經A/D轉換器轉換成數字信號，存儲于暫存器中，由發送/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射信號進行濾波處理。在該設計中，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 信號采集器結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of signal acquisition

由結構示意圖可知，該程控帶通濾波器是由低通濾波器和高通濾波器級聯而成的。

由于在聲發射監測過程中需要對監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。在以往的設計中常采用多級選頻電路串聯或者通過切換RC網絡的方法來實現多頻段濾波[2]。但由于這些方法需要較多的元器件，且參數調整較為困難，因此在聲發射監測儀中選擇使用可程控的開關電容有源濾波器MAX262來實現多頻段程控帶通濾波。

為了提高監測的精確度，必須使系統中的濾波器通帶盡量窄，即在接近通帶的止帶能產生最佳的衰減，并希望濾波器的階數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，能夠滿足系統要求，所以選擇用切比雪夫響應進行程控帶通濾波器的設計。

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，利用對中心頻率和品質因數的編程設置，實現64級中心頻率、128級品質因數的智能控制，并且可以通過附帶的濾波器設計軟件，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內部有2個二階濾波器A和B，它們可以單獨使用，也可級聯成四階濾波器使用。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和品質因數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。每個組件的品質因數Q是由7位控制字（Q0～Q6）獨立設置的[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濾波器的內部，其采樣速率是輸入（CLKA或CLKB）的一半。

2.2 在8通道聲發射監測儀中的應用

2.2.1 硬件設計

在聲發射監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內部的兩個二階濾波器是完全獨立的，利用MAX262內部的濾波器A實現低通濾波，濾波器B實現高通濾波，再將兩個濾波器級聯起來，以實現滿足系統設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，可產生雙路方波輸出信號，經過對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]。這里根據設計要求，經過多次計算，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、提高電路穩定性。

MAX262的4位地址線和2位數據線分別連接到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生的某些噪聲，加一個8 D觸發器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”以內部采樣速率（fCLK/2）出現，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據的輸入為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 軟件設計

根據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濾波器設計軟件，把實現該濾波要求的f0和Q調試出來，再結合文獻[3]計算出各個頻點相應的濾波器編程系數[7]。最后，再次利用相應的濾波設計輔助軟件對參數進行適當的調整，使設計結果達到最佳。調整后濾波器組件的各個頻點的設計參數和相應的編程系數見表1。

表1 濾波器設計參數和相應的編程系數Tab.1 Filter design parameters and the corresponding programming parameters

通過程序控制C8051F020的P3.0～P3.5口，根據需要，在不同地址單元中存入相應的數據信息。存儲器的內容是通過寫入由A0～A3選中的地址來更新的，D0和D1為編程參數的輸入。存儲器地址單元的劃分如圖2所示。數據在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值所需編程數據均需要分8次寫入MAX262的內部寄存器才能完成設置。

在選擇濾波器的工作方式時，方式1和方式2均可實現低通，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是實現高通濾波器的唯一方式。

當要實現低通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）、品質因數Q（0010010）的設置參數通過8次（0～7地址單元）寫入到MAX262內部的寄存器中。再對實現高通的濾波器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）、品質因數 Q（0110100）的設置參數通過 8 次（8～15地址單元）寫入到MAX262內部的寄存器中。設置完成后，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 實測結果

在實際測試中，將濾波器A的中心頻率設定為3 500 Hz，濾波器B的中心頻率設定為950 Hz，即級聯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射信號進行濾波處理后的實測結果如圖5所示。

圖5 實測結果圖Fig.5 Actual testing results

從實測結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，基本達到設計要求。實際設置的濾波器參數與計算得到的濾波器參數之間存在些差異，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 結束語

本系統充分發揮了C8051F020單片機強大的控制能力和數據處理能力，并基于MAX262實現了可程控帶通濾波器（高通和低通級聯而成）的設計。此濾波電路具有結構簡單、外圍元件少、頻響好、使用靈活的優點。它只需1片MAX262，通過內部濾波器A和B的級聯就能很容易完成四階帶通濾波器電路的設計，并且利用兩片DS1099時鐘產生器，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和N值的設置，來實現全通、低通、高通、帶通等濾波器的設計。對于MAX262的時鐘輸入，還可以有更理想的設計方法，可以考慮直接利用單片機內部的振蕩器，經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。

[1]胡昌洋，楊鋼鋒，黃振峰.聲發射技術及其在檢測中的應用[J].計量與測試技術，2008，35（6）：1-6.HU Chang-yang，YANG Gang-feng，HUANG Zhen-feng.AE technology and application in the test[J].Metrology&Measurement Technique，2008，35（6）：1-6.

[2]張飛嶺，張永瑞，謝延廷.基于MAX262的可程控多頻點帶通濾波器的設計[J].電子科技，2007（1）：13-15.ZHANG Fei-ling，ZHANG Yong-rui，XIE Yan-ting.Desing of a programmable multi-frequency band-pass filter based on MAX262[J].ElectronicScienceandTechnology，2007（1）：13-15.

[3]Maxim Integrated Products.MAX260/261/262 Datasheet[EB/OL].（2002-07-02）[2009-12-10].http://datasheets.maximic.com/en/ds/MAX260-MAX262.pdf.

[4]孫鍇英，李松，張帆，等.基于MAX262的程控濾波器設計[J].電子設計工程，2008，16（5）：44-46.SUN Kai-ying， LI Song， ZHANG Fan， et al.Design of programmable filter based in MAX262[J].Electronic Design Engineering，2008（5）：44-46.

[5]Silicon Laboratories Integrater Products.C8052F020 Datasheet[EB/OL].（2003-12-03）[2009-11-25].http://www.xhl.com.cn/xhl/downfile/e-C8051F02x.pdf.

[6]Maxim Integrated Products.DS1099 Datasheet[EB/OL].（2007-09-12）[2010-3-10].http://datasheets.maximic.com/en/ds/DS1099.pdf.

[7]李小朋，辛云宏，劉麗麗，等.MAX262濾波器在地下金屬管線探測儀中的應用[J].現代電子技術，2009（11）：135-137.LI Xiao-peng，XIN Yun-hong，LIU Li-li， et al.Application of filter chip MAX262 in underground metal line detecting equipment[J].Modern Electronics Technique，2009（11）：135-137.