一种提高 X 射线安全系统吞吐量的架构

基于数字 X 射线的安全系统可用于检测违禁品、麻醉品、爆炸物、武器和其他安全威胁，常常是邮件、行李和其他货物处理应用的第一道防线。虽然 X 射线技术本身已得到很好的了解，但设计人员一直面临着缩短威胁检测时间的挑战，同时还要保持高精度、高分辨率和低功耗，特别是在 X 射线系统走向便携化的情况下。

满足这些不同需求的理想方法是：实现一种延时最少的高性能多路复用数据采集系统。

本文讨论基于逐次逼近寄存器模数转换器 (SAR-ADC) 来实现此类系统所需的条件。与更常见的流水线 ADC 不同，SAR-ADC 能够进行无延时采样。本文将介绍一些满足此类需求的示例解决方案，以及使用 SAR-ADC 时需要考虑哪些因素。

X 射线系统的功能和优势

数字 X 射线 (DXR) 设备需要小型、高性能、低功耗的数据采集系统来满足安全系统的需求。典型 DXR 系统会以高采样率将许多通道复用到单个 ADC 中，而不会牺牲精度（图 1）。

图 1：在典型的数字 X 射线信号链中，采用高采样率将许多通道复用到单个 ADC 中。（图片来源：Bonnie Baker）

数字射线成像检测器的性能评估是基于其图像质量。因此，X 射线束的采集必须准确，而且处理方式必须精确。数字射线成像提高了动态范围、采集速度和帧率，并且使用特殊图像处理技术来保持均匀性，因此能够显示增强的图像。

安全成像系统必须提供增强的图像以实现精确检测，并缩短扫描时间以提高吞吐量，因此基于 X 射线的安全系统需要精确、灵敏、快速的 ADC 电路。这要从 X 射线信号的数字化开始。

X 射线信号数字化

图 2 中的电路显示了图 1 中放大器与 ADC 信号链部分的电气连接。两个 Analog Devices 的 ADA4897-1ARJZ-R7 放大器形成一个差分-差分放大器驱动器，将信号发送到 Analog Devices 的 AD7625BCPZ 差分输入级。AD7625 是一款 16 位、6 兆样本/秒 (MSPS) SAR-ADC。

图 2：ADA4897-1 放大器驱动 AD7625 SAR-ADC 的原理图，无去耦电容器。（图片来源：Analog Devices）

ADA4897-1 驱动器使用两个低噪声运算放大器，有助于保持 AD7625 ADC 的动态性能。此外，ADA4897-1 的快速建立时间为 45 纳秒 (ns)，精度达到 0.1% 以内，非常适合多路复用应用。

不同于高速流水线 ADC，AD7652 的 SAR-ADC 架构采样无延时，其 6 MSPS 采样率支持多个通道快速采样。该 ADC 具有串行低压差分信号 (LVDS) 接口和 16 位直流线性度性能，可确保数字噪声低，并且引脚数量少。

这种放大器/ADC 组合非常适合高性能多路复用数据采集系统，因为其针对整体低噪声和低失真运行进行了优化。此种组合的应用包括本文讨论的便携式数字 X 射线系统和安全扫描仪。

X 射线系统电路描述

X 射线的数据采集电路包括两个激励放大器（连接到 ADC 输入端）、一个用于激励放大器的电压共模电平位移、一个精密电压基准和一个前沿 16 位 SAR-ADC。该信号路径中的所有器件产生的总信噪比 (SNR) 为 88.6 分贝 (dB)，总谐波失真 (THD) 为 -110.7 dB。从关键级的角度考察该电路很有益处：

ADC 的输入激励放大器： 在图 2 中，ADA4897-1 放大器具有低失真（1 兆赫兹 (MHz) 时的无杂散动态范围 (SFDR) 为 -93 dB）、快速建立时间（36 ns，精度达到 0.1%）和高带宽 (230 MHz) 特性。两个 ADA4897-1 驱动器的增益均配置为 1 V/V。放大器后接的低通 RC 滤波器采用单极设计、20 欧姆 (Ω) 电阻器和 56 皮法 (pF) 电容器，故其 3 dB 滚降频率为 142 MHz。该低通滤波器可衰减放大器的输出噪声和带外谐波。如果需要，两个 ADA4897-1 单通道放大器可以用一个双通道版本代替，例如 Analog Devices 的 ADA4897-2ARMZ-RL。

激励放大器的电平位移： 通过在单位增益缓冲配置中使用 Analog Devices 的 AD8031ARTZ-R2 放大器，AD7625 的标称 2.048 共模电压 (VCM) 设定了 ADA4897-1 的输出电压。AD8031 通过 590 Ω 串联电阻，将 2.048 共模偏置电压施加到 ADA4897-1 放大器的非反向输入。由于输出阻抗很低且能从瞬态电流快速建立，AD8031 非常适合驱动共模电压。

ADA4897-1 是一款轨至轨输出放大器，采用 5 V 单电源供电时，它的摆幅在 150 毫伏 (mV) 到 4.85 V 之间。采用 -2 V 至 7 V 电源时，若该范围的每一端都有额外的 2 V 余量，这会使失真更低。

ADC 的基准电压： 4.096 外部电压基准（如 Analog Devices 的 ADR434TRZ-EP-R7 或 ADR444ARZ-REEL7），可以通过缓冲放大器（如 AD8031）连接到 ADC 的无缓冲 REF 输入，如图 2 所示。此配置是一种常见的多通道应用方法，其中多个 ADC 共用系统基准。

ADR434 是一款低噪声、高精度 XFET 电压基准，温度漂移很低，拉电流和灌电流分别高达 30 mA 和 20 mA。AD8031 放大器将 ADR434 输出与 AD7625 的基准输入隔离。此外，该放大器可使 AD7625 的 REF 输入上的瞬态电流快速建立并降低阻抗。用于为运算放大器 ADA4897-1 供电的 7 V 电压轨还可以为 ADR434 的 VIN 电源引脚供电。

AD7625 用于 DXR 的优异特性： AD7625 在 6 MSPS 时实现了 92 dB SNR 的动态性能，具有 16 位 (1 LSB) 积分非线性 (INL) 性能，采用 LVDS 接口。

该电路的交流性能表现出高 SNR 和低 THD，支持两种不同的电源配置：双电源（图 3）和单电源（图 4）。

图 3：该示波器图片显示 AD7625 和 ADA4897-1 采用双电源供电（+7 V、-2 V），SNR = 88.6 dB，THD = -110.7 dB，基波幅度 = 满刻度的 -0.6 dB。（图片来源：Analog Devices）

图 4：该示波器图片显示 AD7625 和 ADA4897-1 采用单电源供电 (5 V)，SNR = 86.7 dB，THD = -101.1 dB，基波幅度 = 满刻度的 -1.55 dB。（图片来源：Analog Devices）

在图 3 中，输入电路的电源为 +7 V 和 -2 V。在这种配置中，对于一个 20 千赫兹 (kHz)、93% 满刻度信号，高精度、低噪声、16 位数据采集信号链快速傅里叶变换 (FFT) 性能显示 SNR 为 88.6 dB，THD 为 -110.7 dB。

在图 4 中，电路的电源为 5 V。采用此电源时，SNR 等于 86.7 dB，THD 为 -101.1 dB。

双通道 ADA4897-1 驱动器需要 54 mW。将双通道驱动器的功率与 ADC 的 135 mW 功率、电压基准和基准缓冲器的 12 mW 功率相加，得到总功率为 201 mW。图 3 中的电路为 ADA4897-1 驱动器的输入使用 +7 V 和 -2 V 的电源，以最大限度地降低功耗并实现最佳系统失真性能。

电路评估与测试

为了评估和测试 AD7625 ADC，Analog Devices 有一款评估板。为了测试图 2 所示电路，两个 ADA4897-1 运算放大器取代了板载 ADA4899-1YRDZ-R7 运算放大器。该评估板的文档包含详细原理图和用户说明。测试设置的功能框图如图 5 所示。

图 5：AD7624 ADC 的测试电路：两个 ADA4897-1 替换评估板的 ADA4899 运算放大器。（图片来源：Analog Devices）

总结

满足高速数据采集不同需求的理想方法是：使用高性能多路复用数据采集系统，以使延时最少。本文讨论了基于 SAR-ADC 架构的此类系统的实现需求。快速采样 (6 MSPS) 的 AD7625 ADC 支持实现多个通道。该转换器与高精度 ADA4897-1 激励放大器相结合，表现出优异的 SNR 和 THD 性能，使这套器件成为优秀 X 射线解决方案的首选组合。