Een architectuur voor hogere doorvoer in systemen voor röntgenbeveiliging

By Bonnie Baker

Contributed By De Noord-Amerikaanse redacteurs van Digi-Key

Digitale, op röntgen gebaseerde beveiligingssystemen zijn vaak de eerste verdedigingslinie in post-, bagage- en andere vrachthanteringstoepassingen, omdat ze kunnen worden gebruikt om smokkelwaar, verdovende middelen, explosieven, wapens en andere veiligheidsbedreigingen op te sporen. Alhoewel de röntgentechnologie op zich weinig geheimen meer heeft, staan ontwerpers, vooral met de verschuiving naar draagbare röntgensystemen, constant voor de uitdaging om steeds snellere detectie van bedreigingen te leveren, echter zonder verlies van nauwkeurigheid, resolutie en energie-efficiëntie.

De ideale benadering om aan deze uiteenlopende vereisten te voldoen, is een high-performance multiplex gegevensacquisitiesysteem met minimale latenties.

In dit artikel wordt besproken wat er nodig is voor de implementatie van een dergelijk systeem, gebaseerd op een analoog/digitaal-omzetter met register voor successieve benadering (Successive Approximation Register) (SAR-ADC). Anders dan de meer gangbare pijplijn-ADC, is de SAR-ADC in staat tot sampling zonder latentie. In dit artikel worden sample-oplossingen voorgesteld die geschikt zijn voor deze benadering en er wordt ingegaan op waar men bij gebruik van een SAR-ADC rekening mee moet houden.

Functie en voordelen van röntgensystemen

Digitale röntgenapparatuur (DXR) heeft kleine, hoogperformante, energiezuinige gegevensacquisitiesystemen nodig om aan de vereisten van beveiligingssystemen te voldoen. Een typisch DXR-systeem multiplext vele kanalen bij hoge samplingsnelheden tot een enkele ADC zonder dat dit ten koste gaat van de nauwkeurigheid (Afbeelding 1).

Schema van typische digitale röntgensignaalketen

Afbeelding 1: in een typische digitale röntgensignaalketen worden vele kanalen tot een enkele ADC met hoge samplingsnelheden gemultiplext. (Bron afbeelding: Bonnie Baker)

De prestaties van de digitale radiografiedetector worden beoordeeld op basis van zijn beeldkwaliteit. Dit betekent dat het belangrijk is dat de acquisitie van de röntgenbundel accuraat is en de verwerking nauwkeurig. Het verhoogde dynamische bereik van digitale radiografie, de hoge acquisitie- en framesnelheid en de uniformiteit die wordt verkregen door gebruikmaking van speciale beeldverwerkingstechnieken, leveren een verbetering van de beeldkwaliteit op.

Beeldvormingssystemen die voor beveiligingsdoeleinden worden gebruikt, moeten in kwaliteit verbeterde beelden bieden om een nauwkeurige detectie en kortere scantijden mogelijk te maken, om zo de doorvoer te verhogen. Daarom hebben op röntgen gebaseerde beveiligingssystemen ADC-circuits nodig die accuraat, gevoelig en snel zijn. Dit begint bij de digitalisering van het röntgensignaal.

Digitalisering van het röntgensignaal

Het circuit van Afbeelding 2 toont de elektrische aansluitingen van de versterker van Afbeelding 1 naar het gedeelte van de ADC-signaalketen. De twee versterkers van Analog Devices, ADA4897-1ARJZ-R7, creëren een differentieel-naar-differentieel versterker-driver die signalen naar de differentiële ingangstrap van de AD7625BCPZ van Analog Devices stuurt. De AD7625 is een 16-bits, 6 megasample/seconde (MSPS) SAR-ADC.

Schematisch overzicht van de ADA4897-1 versterker van Analog Devices die de AD7625 SAR-ADC bestuurt (klik om te vergroten)

Afbeelding 2: schematisch overzicht van de ADA4897-1 versterker die de AD7625 SAR-ADC bestuurt, zonder ontkoppelingscondensators. (Bron afbeelding: Analog Devices)

De ADA4897-1 drivers gebruiken twee opamps met lage ruis die helpen de dynamische prestaties van de AD7625 ADC te handhaven. Ook is de snelle settle-tijd van de ADA4897-1, 45 nanoseconden (ns) tot binnen de 0,1% bijzonder goed geschikt voor multiplex-toepassingen.

Anders dan de op hoge snelheid werkende pijplijn-ADC's, zijn de SAR-ADC architectuur-samples van de AD7652 vrij van latentie, en maakt zijn samplingsnelheid van 6 MSPS snelle sampling voor meerdere kanalen mogelijk. De ADC heeft een seriële LVDS (low voltage differential signaling)-interface en 16-bits DC-lineariteit-performance voor lage digitale ruis en een beperkt aantal pennen.

Deze combinatie van versterker en ADC is ideaal voor high-performance multiplex gegevensacquisitiesystemen, aangezien deze zijn geoptimaliseerd voor een werking met weinig ruis en vervorming. Toepassingen waar een dergelijke combinatie goed geschikt voor is zijn onder meer de draagbare röntgensystemen en beveiligingsscanners waar we het in dit artikel over hebben.

Beschrijving van het circuit van het röntgensysteem

Het gegevensacquisitiecircuit van het röntgensysteem omvat twee driver-versterkers naar de ingang van de ADC, een common-mode niveauverschuiving van de spanning voor de driver-versterkers, een precisiespanningsreferentie en een geavanceerde 16-bits SAR-ADC. Alle apparaten in dit signaalpad dragen bij aan een globale signaal/ruis-verhouding (SNR) van 88,6 decibel (dB) en een totale harmonische vervorming (THD) van −110,7 dB. Het is misschien een goed idee om het circuit in het licht van de belangrijkste trappen te bekijken:

De ingangsdriver-versterkers van ADC: in Afbeelding 2, hebben de ADA4897-1 versterkers een lage vervorming met een ongewenst vrij dynamisch bereik (SFDR) van −93 dB op 1 megahertz (MHz), een snelle settle-tijd van 36 ns naar 0,1% en een hoge bandbreedte van 230 MHz. De configuratie van beide ADA4897-1 drivers is een versterking van 1 V/V. Het laagdoorlaat-RC-filter dat op de versterkers volgt, is een ontwerp met een pool, dat gebruik maakt van een weerstand van 20 ohm (Ω) en een condensator van 56 picofarad (pF) voor een roll-off frequentie bij 3 dB van 142 MHz. Dit laagdoorlaatfilter verzwakt de uitgangsruis van de versterker en harmonischen buiten de band. Indien gewenst kan een geschikte vervanging voor de twee enkele ADA4897-1 versterkers worden gevonden: een versie met dubbele versterker zoals de ADA4897-2ARMZ-RL van Analog Devices.

Niveauverschuiving driver-versterker: de nominale 2,048 common-mode spanning (VCM) van de AD7625 stelt de uitgangsspanning van de ADA4897-1 in met behulp van de AD8031ARTZ-R2 versterker van Analog Devices in een bufferconfiguratie met eenheid-versterking. De AD8031 past de 2,048 common-mode voormagnetiseringsspanning via de serieweerstand van 590 Ω toe op de niet-omkerende ingangen van de ADA4897-1 versterkers. Vanwege zijn lage uitgangsimpedantie en snelle stabilisatie bij transiënte stromen, is de AD8031 goed geschikt voor de aansturing van common-mode spanningen.

De ADA4897-1 is een rail-to-rail uitgangsversterker en wanneer hij op een enkele 5 volt voeding werkt, schommelt hij tussen 150 millivolt (mV) en 4,85 volt. Een extra marge van 2 volt met voedingen van -2 tot 7 volt aan weerszijden van het bereik zorgt voor lagere vervorming.

De referentiespanning van ADC: een externe spanningsreferentie van 4,096, zoals de ADR434TRZ-EP-R7 of ADR444ARZ-REEL7 van Analog Devices, kan worden aangesloten op de niet-gebufferde REF-ingang van de ADC met behulp van een bufferversterker zoals de AD8031, zoals getoond op Afbeelding 2. Deze configuratie is een gebruikelijke benadering voor meerkanaalstoepassingen waar meerdere ADC's de systeemreferentie met elkaar delen.

De ADR434 is een uitermate nauwkeurige XFET-referentie met lage ruis, met een lage temperatuurafwijking die maximaal 30 mA en 20 mA, respectievelijk, kan voeden en onttrekken. Een AD8031 versterker isoleert de ADR434-uitgang van de referentie-ingang van de AD7625. Bovendien biedt deze versterker snelle settling en lage impedantie voor transiënte stromen op de REF-ingang van de AD7625. De 7 volt-rail die wordt gebruikt voor het voeden van de ADA4897-1 opamps kan ook de VIN-voedingspen van de ADR434 van stroom voorzien.

De winnende eigenschappen van de AD7625 voor DXR's: de AD7625 bereikt een dynamische performance van 92 dB SNR op 6 MSPS met een 16-bits (1 LSB) integrale niet-lineariteit (INL) performance bij gebruik van een LVDS-interface.

De AC-werking van het circuit toont een hoge SNR en lage THD met twee verschillende voedingsconfiguraties: dubbele voeding Afbeelding 3) en enkele voeding (Afbeelding 4).

Beeld van oscilloscoop die de AD7625 en ADA4897-1 van Analog Devices in werking met dubbele voeding toont

Afbeelding 3: dit oscilloscoopbeeld toont de AD7625 en ADA4897-1 in werking met dubbele voeding (+7 volt, −2 volt) met een SNR = 88m6 dB, een THD = −110,7 dB en een fundamentele amplitude = −0,6 dB van de volle schaal. (Bron afbeelding: Analog Devices)

Oscilloscoopbeeld dat de AD7625 en ADA4897-1 van Analog Devices in werking met dubbele voeding toont

Afbeelding 4: dit oscilloscoopbeeld toont de AD7625 en ADA4897-1 in werking met enkele voeding (5 volt) met een SNR = 86,7 dB, een THD = −101,1 dB en een fundamentele amplitude = −1,55 dB van de volle schaal. (Bron afbeelding: Analog Devices)

In Afbeelding 3 is de voeding naar het ingangscircuit +7 volt en −2 volt. In deze configuratie, met een signaal van 20 kilohertz (kHz), 93% van de volle schaal, vertoont de FFT (fast Fourier transform)-werking met 16-bits gegevensacquisitiesignaalketen, hoge precisie en lage ruis een SNR van 88,6 dB en een THD van −110,7 dB.

In Afbeelding 4 is de voeding naar het circuit 5 volt. Met deze voeding is de SNR gelijk aan 86,7 dB en is de THD −101,1 dB.

De dubbele ADA4897-1 driver heeft 54 mW nodig. Wanneer we het vermogen van de dubbele driver optellen bij het ADC-vermogen van 135 mW en het referentiebuffervermogen van 12 mW, is het totale vermogen gelijk aan 201 mW. Het circuit in Afbeelding 3 gebruikt voedingen van +7 volt en −2 volt voor de ingang van de ADA4897-1 drivers om vermogensdissipatie tot het minimum te beperken en optimale prestaties ten aanzien van de systeemvervorming te verkrijgen.

Circuitevaluatie en -test

Voor het evalueren en testen van de AD7625 ADC, heeft Analog Devices een evaluatiebord. Om het in Afbeelding 2 getoonde circuit te testen, vervangen de twee ADA4897-1 opamps de op het bord gemonteerde ADA4899-1YRDZ-R7 opamps. De documentatie van het bord bevat een gedetailleerd schema en aanwijzingen voor de gebruiker. Een functioneel blokdiagram van de testopstelling is te zien in Afbeelding 5.

Schema van testcircuit voor AD7624 ADC

Afbeelding 5: testcircuit voor AD7624 ADC: de twee ADA4897-1's vervangen de ADA4899 opamps van het evaluatiebord. (Bron afbeelding: Analog Devices)

Conclusie

De ideale benadering om aan deze uiteenlopende vereisten ten aanzien van gegevensacquisitie op hoge snelheid te voldoen, is een high-performance multiplex gegevensacquisitiesysteem met minimale latenties te gebruiken. In dit artikel wordt besproken wat er nodig is voor de implementatie van een dergelijk systeem op basis van een SAR-ADC-architectuur. De AD7625 ADC met snelle sampling (6 MSPS) maakt de implementatie van meerdere kanalen mogelijk. Deze omzetter levert, in combinatie met de uiterste precieze ADA4897-1 driver-versterkers, een excellente SNR- en THD-prestatie en maakt deze set van apparaten tot een favoriete mix om excellente resultaten te verkrijgen voor röntgensystemen.

Disclaimer: The opinions, beliefs, and viewpoints expressed by the various authors and/or forum participants on this website do not necessarily reflect the opinions, beliefs, and viewpoints of Digi-Key Electronics or official policies of Digi-Key Electronics.

Achtergrondinformatie over deze auteur

Bonnie Baker

Bonnie Baker is een verdienstelijke auteur bij Digi-Key Electronics. Burr-Brown, Microchip en Texas Instruments zorgen er al meer dan 30 jaar voor dat ze intensief betrokken is bij analoge ontwerpen en systemen. Bonnie heeft een Masters of Science in Electrical Engineering van de Universiteit van Arizona (Tucson, AZ) en een bachelor in Muziek van de Universiteit van Noord-Arizona (Flagstaff, AZ). Naast haar fascinatie voor analoge ontwerpen heeft Bonnie ook een passie voor het delen van haar kennis en ervaring via het schrijven van al meer dan 450 artikelen, ontwerp- en applicatiebeschrijvingen.

Over deze uitgever

De Noord-Amerikaanse redacteurs van Digi-Key