Eine Architektur zur Verbesserung des Durchsatzes von Röntgensicherheitssystemen

Von Bonnie Baker

Zur Verfügung gestellt von Nordamerikanische Fachredakteure von Digi-Key

Digitale Sicherheitssysteme auf Röntgenbasis stellen häufig die erste Verteidigungslinie in der Postbearbeitung, der Gepäckabfertigung und beim Warenumschlag dar, da mit ihnen Schmuggelware, Drogen, Explosivstoffe, Waffen und weitere Bedrohungen für die allgemeine Sicherheit erkannt werden können. Während das Verständnis der Röntgentechnik selbst gut ausgeprägt ist, sehen sich Entwickler fortwährend der Herausforderung gegenüber, die Dauer der Bedrohungserkennung zu verkürzen und dabei für ausreichende Genauigkeit, Auflösung und Energieeffizienz zu sorgen, was insbesondere für tragbare Röntgensysteme gilt.

Der ideale Ansatz, um diesen vielschichtigen Anforderungen gerecht zu werden, sind gemultiplexte Hochleistungs-Datenerfassungssysteme mit minimalen Latenzen.

In diesem Artikel geht es darum, was zur Implementierung eines solchen Systems erforderlich ist, das auf einem nach dem Prinzip der sukzessiven Approximation arbeitenden Analog/Digital-Wandler (SAR-ADC) basiert. Anders als der gebräuchlichere Pipeline-ADC ermöglicht der SAR-ADC eine verzögerungsfreie Abtastung. Der Artikel stellt Beispiellösungen vor, die den Anforderungen des oben angesprochenen Ansatzes gerecht werden, und geht darauf ein, was bei der Verwendung eines SAR-ADC zu berücksichtigen ist.

Funktionen und Vorteile von Röntgensystemen

Digitale Röntgensysteme (DRs) erfordern kleine, leistungsstarke Datenerfassungssysteme mit geringem Energieverbrauch, um den Anforderungen des Sicherheitssystems gerecht zu werden. Ein typisches DR multiplext viele Kanäle mit hohen Abtastraten in einen einzelnen ADC, ohne dass die Genauigkeit darunter leidet (Abbildung 1).

Darstellung einer typischen Signalkette eines digitalen Röntgensystems

Abbildung 1: In einer typischen Signalkette eines digitalen Röntgensystems werden viele Kanäle mit hohen Abtastraten in einen einzelnen ADC gemultiplext. (Bildquelle: Bonnie Baker)

Die Leistungsfähigkeit des digitalen Röntgendetektors wird anhand der Bildqualität bewertet. Aus diesem Grund ist es unerlässlich, dass die Erfassung des Röntgenstrahls exakt und die Verarbeitung präzise sind. Der erweiterte Dynamikbereich der digitalen Radiographie, die schnelle Erfassung, die hohe Bildrate und die Einheitlichkeit durch die Verwendung spezieller Bildverarbeitungstechniken gestatten die Anzeige besserer Bilder.

Abbildende Sicherheitssysteme müssen zur exakten Erkennung bessere Bilder liefern und kürzere Abtastzeiten bieten, um den Durchsatz zu steigern. Daher sind für Sicherheitssysteme auf Röntgenbasis ADC-Schaltkreise erforderlich, die exakt, empfindlich und schnell sind. Das beginnt bereits bei der Digitalisierung des Röntgensignals.

Digitalisierung des Röntgensignals

Der Schaltkreis in Abbildung 2 zeigt die elektrischen Verbindungen des Verstärkers aus Abbildung 1 mit der ADC-Signalkette. Die zwei Verstärker ADA4897-1ARJZ-R7 von Analog Devices ergeben einen Differentiell-zu-Differentiell-Verstärkertreiber, der Signale an die differentielle Eingangsstufe des AD7625BCPZ von Analog Devices sendet. Der AD7625 ist ein 16-Bit-SAR-ADC mit 6 Megasamples/Sekunde (MS/s).

Schaltbild: Verstärker ADA4897-1 von Analog Devices zur Ansteuerung des SAR-ADC AD7625 (zum Vergrößern klicken)

Abbildung 2: Das Schaltbild zeigt den Verstärker ADA4897-1 zur Ansteuerung des SAR-ADC AD7625 (ohne Entkopplungskondensatoren). (Bildquelle: Analog Devices)

In den Treibern des ADA4897-1 kommen zwei rauscharme Operationsverstärker zum Einsatz, die dazu beitragen, die dynamische Leistung des ADC AD7625 aufrechtzuerhalten. Des Weiteren ist der ADA4897-1 aufgrund seiner kurzen Einschwingzeit von 45 Nanosekunden (ns) auf 0,1 % eine gute Wahl für gemultiplexte Anwendungen.

Im Gegensatz zu Hochgeschwindigkeits-Pipeline-ADCs sind die Abtastungen der SAR-ADC-Architektur des AD7652 verzögerungsfrei und seine hohe Abtastrate von 6 MS/s ermöglicht eine schnelle Abtastung für mehrere Kanäle. Der ADC verfügt über eine serielle LVDS-Schnittstelle (Low Voltage Differential Signaling, Niederspannungs-Differenzsignalübertragung) und bietet 16-Bit-DC-Linearität, um geringes digitales Rauschen zu gewährleisten und eine niedrige Pin-Anzahl bereitzustellen.

Diese Kombination aus Verstärker und ADC eignet sich ideal für gemultiplexte Hochleistungs-Datenerfassungssysteme, da sie für den rausch- und verzerrungsarmen Betrieb optimiert sind. Die Anwendungsmöglichkeiten für eine derartige Kombination umfassen die tragbaren digitalen Röntgensysteme und Sicherheitsscanner, um die es hier geht.

Schaltkreisbeschreibung eines Röntgensystems

Der Datenerfassungsschaltkreis des Röntgensystems umfasst zwei Eingangstreiberverstärker für den ADC, einen Pegelwandler für die Gleichtaktspannung der Verstärkertreiber, eine Spannungsreferenz von hoher Präzision sowie einen modernen 16-Bit-SAR-ADC. Alle Komponenten in diesem Signalpfad tragen zu einem gesamten Signal-Rausch-Verhältnis (SNR, Signal-to-Noise-Ratio) von 88,6 Dezibel (dB) und einem Gesamtklirrfaktor (THD, Total Harmonic Distortion) von -110,7 dB bei. Es ist von Vorteil, den Schaltkreis aus dem Blickwinkel wichtiger Stufen zu betrachten:

Die Eingangstreiberverstärker des ADC: In Abbildung 2 bieten die Verstärker ADA4897-1 eine geringe Verzerrung mit einem störungsfreien Dynamikbereich (SFDR, Spurious Free Dynamic Range) von -93 dB bei 1 Megahertz (MHz), einer kurzen Einschwingzeit von 36 ns auf 0,1 % und einer hohen Bandbreite von 230 MHz. Die Konfiguration beider Treiberverstärker ADA4897-1 liefert eine Verstärkung von 1 V/V. Bei dem RC-Tiefpassfilter, der den Verstärkern nachgeschaltet ist, handelt es sich um eine Komponente in einpoliger Ausführung mit einem Widerstand von 20 Ohm (Ω) sowie einer Kapazität von 56 Picofarad (pF), die für eine 3-dB-Roll-off-Frequenz von 142 MHz sorgen. Dieser Tiefpassfilter dämpft das Ausgangsrauschen des Verstärkers und bandexterne Oberschwingungen. Ein praktikabler Ersatz für die zwei einzelnen Verstärker ADA4897-1 wäre der duale Verstärker ADA4897-2ARMZ-RL von Analog Devices.

Pegelwandler des Treiberverstärkers: Die Gleichtaktspannung (VCM) des AD7625 von 2,048 V legt die Ausgangsspannung des ADA4897-1 fest, indem der Verstärker AD8031ARTZ-R2 von Analog Devices als Einheitsverstärkungspuffer verwendet wird. Der AD8031 legt die Gleichtaktvorspannung von 2,048 V über den in Reihe geschalteten Widerstand von 590 Ω an die nicht invertierenden Eingänge der Verstärker ADA4897-1 an. Aufgrund seiner niedrigen Ausgangsimpedanz und der kurzen Einschwingzeit durch Ausgleichsströme eignet sich der AD8031 gut als Treiber für die Gleichtaktspannungen.

Der ADA4897-1 ist ein Rail-to-Rail-Ausgangsverstärker, der bei Betrieb über eine einzelne 5-Volt-Spannungsversorgung zwischen 150 Millivolt (mV) und 4,85 Volt schwankt. Eine zusätzliche Reservespannung von 2 Volt mit Spannungsversorgungen von -2 bis 7 Volt an beiden Enden des Bereichs sorgt für eine geringere Verzerrung.

Referenzspannung des ADC: Eine externe Spannungsreferenz von 4,096 Volt, beispielsweise die ADR434TRZ-EP-R7 oder die ADR444ARZ-REEL7 von Analog Devices, kann mit dem ungepufferten REF-Eingang des ADC verbunden werden, wobei ein Pufferverstärker wie der AD8031 verwendet wird (siehe Abbildung 2). Diese Konfiguration ist ein verbreiteter Ansatz für Mehrkanalanwendungen, bei denen sich mehrere ADCs die Systemreferenz teilen.

Die ADR434 ist eine rauscharme XFET-Referenz mit hoher Genauigkeit und geringer Temperaturdrift, die als Quelle und Senke für bis zu 30 mA bzw. 20 mA verwendet werden kann. Ein Verstärker AD8031 isoliert den ADR434-Ausgang vom Referenzeingang des AD7625. Zusätzlich bietet dieser Verstärker eine kurze Einschwingzeit und eine niedrige Impedanz für Ausgleichsströme am REF-Eingang des AD7625. Die 7-Volt-Schiene, die zur Versorgung der Operationsverstärker ADA4897-1 verwendet wird, kann auch den VIN-Versorgungskontakt des ADR434 versorgen.

Die überzeugenden Eigenschaften des AD7625 für DRs: Der AD7625 erreicht über eine LVDS-Schnittstelle eine dynamische Leistung von 92 dB SNR bei 6 MS/s mit einer integralen 16-Bit-Nichtlinearität (1 LSB).

Die AC-Leistung des Schaltkreises bietet ein hohes SNR und einen niedrigen THD mit zwei verschiedenen Stromversorgungen: eine doppelte (Abbildung 3) und eine einzelne Stromversorgung (Abbildung 4).

Bild: AD7625 und ADA4897-1 von Analog Devices mit zwei Stromversorgungen

Abbildung 3: Dieses Bild zeigt den AD7625 und den ADA4897-1 mit zwei Stromversorgungen (+7 Volt, -2 Volt) mit einem SNR von 88,6 dB, einem THD von -110,7 dB und einer Basisamplitude von -0,6 dB vom Endwert. (Bildquelle: Analog Devices)

Bild: AD7625 und ADA4897-1 von Analog Devices mit einer Stromversorgung

Abbildung 4: Dieses Bild zeigt den AD7625 und den ADA4897-1 mit einer Stromversorgung (5 Volt) mit einem SNR von 86,7 dB, einem THD von -101,1 dB und einer Basisamplitude von -1,55 dB vom Endwert. (Bildquelle: Analog Devices)

In Abbildung 3 liefern die Stromversorgungen des Eingangsschaltkreises +7 Volt und -2 Volt. In dieser Konfiguration mit einem Signal mit 93 % der Vollaussteuerung und 20 Kilohertz (kHz) ergibt die schnelle Fourier-Transformation (FFT) der hochpräzisen, rauscharmen 16-Bit-Datenerfassungssignalkette ein SNR von 88,6 dB und einen THD von -110,7 dB.

In Abbildung 4 liefert die Stromversorgung des Schaltkreises 5 Volt. Mit dieser Stromversorgung betragen das SNR 86,7 dB und der THD -101,1 dB.

Der duale Treiber ADA4897-1 erfordert 54 mW. Addiert man die Leistung des dualen Treibers, die ADC-Leistung von 135 mW sowie die Leistung des Referenzpuffers von 12 mW ergibt sich eine Gesamtleistung von 201 mW. Der Schaltkreis in Abbildung 3 verwendet Stromversorgungen mit +7 Volt und -2 Volt für den Eingang der Treiber ADA4897-1, um die Verlustleistung zu minimieren und die optimale Systemverzerrung für das System zu erreichen.

Bewertung und Test des Schaltkreises

Analog Devices hat eine Evaluierungskarte im Angebot, um den ADC AD7625 zu bewerten und zu testen. Für den Test des in Abbildung 2 gezeigten Schaltkreises ersetzen die zwei Operationsverstärker ADA4897-1 die Operationsverstärker ADA4899-1YRDZ-R7 auf der Karte. Die Dokumentation der Karte enthält hierzu einen detaillierten Schaltplan und Anweisungen. Abbildung 5 zeigt ein Funktionsblockdiagramm des Testaufbaus.

Testschaltkreis für den ADC AD7624

Abbildung 5: Testschaltkreis für den ADC AD7624: Die zwei Operationsverstärker ADA4897-1 ersetzen die Operationsverstärker ADA4899 auf der Evaluierungskarte. (Bildquelle: Analog Devices)

Fazit

Der ideale Ansatz, um den verschiedenen Anforderungen der schnellen Datenerfassung gerecht zu werden, ist die Verwendung eines gemultiplexten Hochleistungs-Datenerfassungssystems, mit dem Latenzen minimiert werden. Dieser Artikel behandelt die Implementierungsanforderungen eines solchen Systems auf der Basis einer SAR-ADC-Architektur. Der ADC AD7625 mit seiner hohen Abtastrate (6 MS/s) erlaubt die Implementierung mehrerer Kanäle. Dieser Wandler bietet in Kombination mit den hochpräzisen Treiberverstärkern ADA4897-1 ausgezeichnete Werte für das SNR und den THD, wodurch sich diese Komponenten ideal für hervorragende Röntgenlösungen eignen.

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Über den Autor

Bonnie Baker

Bonnie Baker ist eine aktive Autorin bei Digi-Key Electronics. Burr-Brown, Microchip und Texas Instruments vereinfachten ihr die Beschäftigung mit analogem Design und analogen Systemen seit mehr als 30 Jahren. Bonnie hat einen Master of Science in Elektrotechnik von der University of Arizona (Tucson, Arizona) und einen Bachelor-Abschluss in Musikausbildung von der Northern Arizona University (Flagstaff, Arizona). Zusätzlich zu ihrer Faszination für analoges Design hat Bonnie den Ehrgeiz, ihr Wissen und ihre Erfahrung durch die Veröffentlichung von bisher über 450 Artikeln, Design-Notizen und Anwendungshinweisen weiterzugeben.

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