En arkitektur för att förbättra röntgensäkerhetssystemets genomströmning

Digitala röntgenbaserade säkerhetssystem är ofta den första försvarslinjen i post-, bagage- och andra lasthanteringstillämpningar eftersom de kan användas för att känna av smuggelgods, narkotika, explosiva ämnen, vapen och andra säkerhetshot. Röntgentekniken är välkänd, men konstruktörerna utmanas ständigt att förkorta tiden för hotidentifiering samtidigt som precision, upplösning och låg effekt ska hållas, framförallt när röntgensystemen börjar bli bärbara.

Den idealiska lösningen för att uppfylla dessa olika krav är ett högpresterande multiplexbaserat datainsamlingssystem med minimal latens.

Den här artikeln går igenom vad som krävs för att implementera ett sådant system baserat på en analog-till-digitalomvandlare (SAR-ADC) med successivt approximationsregister. Till skillnad från den vanligare pipeline ADC klarar SAR-ADC provtagning utan latens. Den introducerar provtagningslösningar som uppfyller metodkraven och anger vad du bör tänka på när du använder en SAR-ADC.

Funktion och fördelar med röntgensystem

Digitala röntgenenheter (DXR) kräver små, högpresterande, datainsamlingssystem med låg effekt för att uppfylla säkerhetssystemets krav. Ett typiskt DXR-system multiplexerar många kanaler med höga samplingsfrekvenser till en enda ADC utan att försämra precisionen (figur 1).

Figur 1: I en typisk digital röntgensignalkedja multiplexeras många kanaler till en enda ADC med höga samplingsfrekvenser. (Bildkälla: Bonnie Baker)

Den digitala röntgendetektorns prestanda utvärderas efter dess bildkvalitet. Som en följd är det viktigt att röntgenstrålens insamling är exakt och behandlingen precis. Den digital radiografins ökade dynamiska omfång, snabba insamlingshastighet och bildhastighet samt enhetlighet med särskilda bildbehandlingstekniker gör det möjligt att visa förbättrade bilder.

Säkerhetsbildsystem måste tillhandahålla förbättrade bilder för korrekt avkänning och kortare skanningstider för att öka genomströmningen, så röntgenbaserade säkerhetssystem behöver ADC-kretsar som är exakta, känsliga och snabba. Det börjar med digitalisering av röntgensignalen.

Digitalisera röntgensignalen

Kretsen i figur 2 visar de elektriska anslutningarna för förstärkaren i figur 1 till ADC-signalkedjedelen. De två Analog Devices ADA4897-1ARJZ-R7 skapar en differential-till-differential-förstärkardrivkrets som skickar signaler till Analog Devices AD7625BCPZ:s differentialingångssteg. AD7625 är en 16-bitars 6 M/sekund (MSPS) SAR-ADC.

Figur 2: Schema över ADA4897-1 förstärkare som driver AD7625 SAR-ADC, utan frånkopplingskondensatorer. (Bildkälla: Analog Devices)

ADA4897-1-drivkretsarna använder två driftförstärkare med lågt brus som hjälper till att behålla den dynamiska prestandan hos AD7625 ADC. ADA4897-1:s snabba inställningstid på 45 nanosekunder (ns) till inom 0,1 % passar bra för multiplextillämpningar.

Till skillnad från höghastighets-pipeline-ADC:er är AD7652:s SAR-ADC-arkitekturprov latensfria och dess provtagningsfrekvens på 6 MSPS ger snabb provtagning för flera kanaler. ADC har ett seriellt gränssnitt med lågspänningsdifferentialsignalering (LVDS) och 16 bitars DC-linjäritet för att säkerställa lågt digitalt brus och ge ett lågt stiftvärde.

Den här förstärkar-/ADC-kombinationen är idealisk för högpresterande multiplexa datainsamlingssystem eftersom de är optimerade för drift med övergripande lågt brus och låg förvrängning. Tillämpningar för sådana kombinationer inkluderar de bärbara digitala röntgensystem och säkerhetsskannrar som diskuteras här.

Kretsbeskrivning för röntgensystem

Röntgensystemets datainsamlingskrets innehåller två drivkretsförstärkare till ADC-ingången, en common mode-spänningsnivåändrare för drivkretsförstärkarna, en precisionsspänningsreferens och en 16 bitars SAR-ADC i framkant. Alla enheter i den här signalbanan bidrar till ett övergripande signal-brusförhållande (SNR) på 88,6 decibel (dB) och en total harmonisk distorsion (THD) på −110,7 dB. Det kan vara upplysande att undersöka kretsen utifrån huvudsteg:

ADC:ns ingående drivkretsförstärkare: I figur 2 har ADA4897-1-förstärkarna låg förvrängning med ett störningsfritt dynamiskt område (SFDR) på −93 dB vid 1 megahertz (MHz), en snabb inställningstid på 36 ns till 0,1 % och en hög bandbredd på 230 MHz. Konfigurationen av båda ADA4897-1-drivkretsarna är en förstärkning på 1 V/V. Lågpass-RC-filtret som följer förstärkarna är en enpolig konstruktion med ett motstånd på 20 ohm (Ω) och en kondensator på 56 pikofarad (pF) vilket ger en 3 dB roll-off-frekvens på 142 MHz. Det här lågpassfiltret dämpar det utgående bruset från förstärkaren och harmoniska svängningar utanför bandbredden. Vid behov kan en godtagbar ersättning för de två ADA4897-1 enkla förstärkarna vara en dubbelförstärkarversion i form av Analog Devices ADA4897-2ARMZ-RL.

Drivning av förstärkarens nivåskiftning: AD7625:s nominella 2,048 common-mode-spänning (VCM) ställer in ADA4897-1:s utgångsspänning genom att använda Analog Devices AD8031ARTZ-R2-förstärkare i en unity-gain-buffertkonfiguration. AD8031 tillämpar 2.048 common-mode-bias-spänning via 590 Ω seriemotstånden till de ej växelriktande ingångarna på ADA4897-1-förstärkare. På grund av dess låga utgångsimpedans och snabba återställning från transientströmmar är AD8031 ett bra val för att driva common-mode-spänningar.

ADA4897-1 är en rail-to-rail-utgångsförstärkare och vid körning på en enkel 5-voltstillförsel varierar den mellan 150 millivolt (mV) och 4,85 volt. Ytterligare 2 volt överstyrningsreserv med -2 till 7 volts tillförsel i varje ände av området ger lägre distorsion.

ADC:s referensspänning: En extern spänningsreferens på 4,096, som Analog Devices ADR434TRZ-EP-R7 eller ADR444ARZ-REEL7 kan anslutas till den obuffrade REF-ingången för ADC med en buffertförstärkare som AD8031, enligt figur 2. Den här konfigurationen är en vanlig flerkanalstillämpning där flera ADC:er delar systemreferens.

ADR434 är en XFET-referens med lågt brus, hög precision och låg temperaturavdrivning som kan ge och ta upp till 30 mA respektive 20 mA. En AD8031-förstärkare isolerar ADR434-utmatningen från AD7625:s referensingång. Dessutom ger den här förstärkaren snabb inställning och låg impedans för transientströmmar på AD7625:s referensingång. 7-voltsskenan som används för att tillhandahålla ADA4897-1 driftampere kan också mata VIN-tillförselstiftet på ADR434.

AD7625:s vinnande egenskaper för DXR:er: AD7625 uppnår en dynamisk prestanda på 92 dB SNR vid 6 MSPS med 16 bitars (1 LSB) integrerad icke-linjär (INL) prestanda med ett LVDS-gränssnitt.

Kretsens AC-prestanda uppvisar hög SNR och låg THD med två olika strömtillförselkonfigurationer: dubbel tillförsel (figur 3) och enkel tillförsel (figur 4).

Figur 3: Den här oscilloskopbilden visar AD7625 och ADA4897-1 vid dubbel tillförsel (+7 volt, −2 volt) med SNR = 88,6 dB, THD = −110,7 dB och en fundamental amplitud = −0,6 dB full skala. (Bildkälla: Analog Devices)

Figur 4: Den här oscilloskopbilden visar AD7625 och ADA4897-1 vid enkel tillförsel (5 volt) med SNR = 86,7 dB, THD = -101,1 dB och en fundamental amplitud = -1,55 dB full skala. (Bildkälla: Analog Devices)

I figur 3 är strömtillförseln till ingångskretsen +7 volt och −2 volt. I den här konfigurationen, med 20 kilohertz (kHz), 93 % fullskalig signal har 16-bitars datainsamlingssignalkedjan med hög precision och lågt brus en fast Fourier-transformation (FFT) med SNR på 88,6 dB och THD på −110,7 dB.

I figur 4 är strömtillförseln till kretsen 5 volt. Med den här strömtillförseln är SNR lika med 86,7 dB och THD är −101,1 dB.

Den dubbla ADA4897-1-drivkretsen kräver 54 mW. När den dubbla drivkretseffekten läggs till ADC-effekten på 135 mW och referens- och referensbufferteffekten på 12 mW motsvarar den totala effekten 201 mW. Kretsen i figur 3 använder tillförsel på +7 volt och −2 volt för inmatningen till ADA4897-1-drivkretsarna för att minimera effektförlusten och uppnå den optimala systemdistorsionsprestandan.

Kretsutvärdering och provning

För att utvärdera och prova AD7625 ADC har Analog Devices ett utvärderingskort. För att testa kretsen i figur 2 ersätter de två ADA4897-1 driftförstärkarna ADA4899-1YRDZ-R7-driftförstärkarna på kortet. Kortets dokumentation innehåller ett detaljerat schema och användaranvisningar. Ett funktionsblockdiagram över testuppställningen visas i figur 5.

Figur 5: Testkrets för AD7624 ADC: de två ADA4897-1s ersätter utvärderingskortets ADA4899-driftförstärkare. (Bildkälla: Analog Devices)

Slutsatser

Den idealiska lösningen för att uppfylla dessa olika höghastighetsdatainsamlingskrav är att använda ett högpresterande multiplexbaserat datainsamlingssystem som minimerar latens. Den här artikeln går igenom implementeringsbehoven för ett sådant system baserat på en SAR-ADC-arkitektur. Den snabba samplingsfrekvensen (6 MSPS) AD7625 ADC möjliggör implementering av flera kanaler. Den här omvandlaren i kombination med ADA4897-1-drivkretsförstärkare med hög precision demonstrera utmärkt SNR- och THD-prestanda vilket gör den här uppsättningen av enheter till en populär blandning för överlägsna röntgenlösningar.