基于數(shù)字 X 射線的安全系統(tǒng)可用于檢測違禁品、麻醉品、爆炸物、武器和其他安全威脅，常常是郵件、行李和其他貨物處理應用的第一道防線。雖然 X 射線技術本身已得到很好的了解，但設計人員一直面臨著縮短威脅檢測時間的挑戰(zhàn)，同時還要保持高精度、高分辨率和低功耗，特別是在 X 射線系統(tǒng)走向便攜化的情況下。
滿足這些不同需求的理想方法是：實現(xiàn)一種延時最少的高性能多路復用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。
本文討論基于逐次逼近寄存器模數(shù)轉換器 (SAR-ADC) 來實現(xiàn)此類系統(tǒng)所需的條件。與更常見的流水線 ADC 不同，SAR-ADC 能夠進行無延時采樣。本文將介紹一些滿足此類需求的示例解決方案，以及使用 SAR-ADC 時需要考慮哪些因素。
X 射線系統(tǒng)的功能和優(yōu)勢
數(shù)字 X 射線 (DXR) 設備需要小型、高性能、低功耗的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)來滿足安全系統(tǒng)的需求。典型 DXR 系統(tǒng)會以高采樣率將許多通道復用到單個 ADC 中，而不會犧牲精度（圖 1）。
圖 1：在典型的數(shù)字 X 射線信號鏈中，采用高采樣率將許多通道復用到單個 ADC 中。（圖片來源：Bonnie Baker）
數(shù)字射線成像檢測器的性能評估是基于其圖像質量。因此，X 射線束的采集必須準確，而且處理方式必須精確。數(shù)字射線成像提高了動態(tài)范圍、采集速度和幀率，并且使用特殊圖像處理技術來保持均勻性，因此能夠顯示增強的圖像。
安全成像系統(tǒng)必須提供增強的圖像以實現(xiàn)精確檢測，并縮短掃描時間以提高吞吐量，因此基于 X 射線的安全系統(tǒng)需要精確、靈敏、快速的 ADC 電路。這要從 X 射線信號的數(shù)字化開始。
X 射線信號數(shù)字化
圖 2 中的電路顯示了圖 1 中放大器與 ADC 信號鏈部分的電氣連接。兩個 Analog Devices 的 ADA4897-1ARJZ-R7 放大器形成一個差分-差分放大器驅動器，將信號發(fā)送到 Analog Devices 的 AD7625BCPZ 差分輸入級。AD7625 是一款 16 位、6 兆樣本/秒 (MSPS) SAR-ADC。
圖 2：ADA4897-1 放大器驅動 AD7625 SAR-ADC 的原理圖，無去耦電容器。（圖片來源：Analog Devices）
ADA4897-1 驅動器使用兩個低噪聲運算放大器，有助于保持 AD7625 ADC 的動態(tài)性能。此外，ADA4897-1 的快速建立時間為 45 納秒 (ns)，精度達到 0.1% 以內，非常適合多路復用應用。
不同于高速流水線 ADC，AD7652 的 SAR-ADC 架構采樣無延時，其 6 MSPS 采樣率支持多個通道快速采樣。該 ADC 具有串行低壓差分信號 (LVDS) 接口和 16 位直流線性度性能，可確保數(shù)字噪聲低，并且引腳數(shù)量少。
這種放大器/ADC 組合非常適合高性能多路復用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，因為其針對整體低噪聲和低失真運行進行了優(yōu)化。此種組合的應用包括本文討論的便攜式數(shù)字 X 射線系統(tǒng)和安全掃描儀。
X 射線系統(tǒng)電路描述
X 射線的數(shù)據(jù)采集電路包括兩個激勵放大器（連接到 ADC 輸入端）、一個用于激勵放大器的電壓共模電平位移、一個精密電壓基準和一個前沿 16 位 SAR-ADC。該信號路徑中的所有器件產生的總信噪比 (SNR) 為 88.6 分貝 (dB)，總諧波失真 (THD) 為 -110.7 dB。從關鍵級的角度考察該電路很有益處：
ADC 的輸入激勵放大器： 在圖 2 中，ADA4897-1 放大器具有低失真（1 兆赫茲 (MHz) 時的無雜散動態(tài)范圍 (SFDR) 為 -93 dB）、快速建立時間（36 ns，精度達到 0.1%）和高帶寬 (230 MHz) 特性。兩個 ADA4897-1 驅動器的增益均配置為 1 V/V。放大器后接的低通 RC 濾波器采用單極設計、20 歐姆 (Ω) 電阻器和 56 皮法 (pF) 電容器，故其 3 dB 滾降頻率為 142 MHz。該低通濾波器可衰減放大器的輸出噪聲和帶外諧波。如果需要，兩個 ADA4897-1 單通道放大器可以用一個雙通道版本代替，例如 Analog Devices 的 ADA4897-2ARMZ-RL。
激勵放大器的電平位移： 通過在單位增益緩沖配置中使用 Analog Devices 的 AD8031ARTZ-R2 放大器，AD7625 的標稱 2.048 共模電壓 (VCM) 設定了 ADA4897-1 的輸出電壓。AD8031 通過 590 Ω 串聯(lián)電阻，將 2.048 共模偏置電壓施加到 ADA4897-1 放大器的非反向輸入。由于輸出阻抗很低且能從瞬態(tài)電流快速建立，AD8031 非常適合驅動共模電壓。
ADA4897-1 是一款軌至軌輸出放大器，采用 5 V 單電源供電時，它的擺幅在 150 毫伏 (mV) 到 4.85 V 之間。采用 -2 V 至 7 V 電源時，若該范圍的每一端都有額外的 2 V 余量，這會使失真更低。
ADC 的基準電壓： 4.096 外部電壓基準（如 Analog Devices 的 ADR434TRZ-EP-R7 或 ADR444ARZ-REEL7），可以通過緩沖放大器（如 AD8031）連接到 ADC 的無緩沖 REF 輸入，如圖 2 所示。此配置是一種常見的多通道應用方法，其中多個 ADC 共用系統(tǒng)基準。
ADR434 是一款低噪聲、高精度 XFET 電壓基準，溫度漂移很低，拉電流和灌電流分別高達 30 mA 和 20 mA。AD8031 放大器將 ADR434 輸出與 AD7625 的基準輸入隔離。此外，該放大器可使 AD7625 的 REF 輸入上的瞬態(tài)電流快速建立并降低阻抗。用于為運算放大器 ADA4897-1 供電的 7 V 電壓軌還可以為 ADR434 的 VIN 電源引腳供電。
AD7625 用于 DXR 的優(yōu)異特性： AD7625 在 6 MSPS 時實現(xiàn)了 92 dB SNR 的動態(tài)性能，具有 16 位 (1 LSB) 積分非線性 (INL) 性能，采用 LVDS 接口。
該電路的交流性能表現(xiàn)出高 SNR 和低 THD，支持兩種不同的電源配置：雙電源（圖 3）和單電源（圖 4）。
圖 3：該示波器圖片顯示 AD7625 和 ADA4897-1 采用雙電源供電（+7 V、-2 V），SNR = 88.6 dB，THD = -110.7 dB，基波幅度 = 滿刻度的 -0.6 dB。（圖片來源：Analog Devices）
圖 4：該示波器圖片顯示 AD7625 和 ADA4897-1 采用單電源供電 (5 V)，SNR = 86.7 dB，THD = -101.1 dB，基波幅度 = 滿刻度的 -1.55 dB。（圖片來源：Analog Devices）
在圖 3 中，輸入電路的電源為 +7 V 和 -2 V。在這種配置中，對于一個 20 千赫茲 (kHz)、93% 滿刻度信號，高精度、低噪聲、16 位數(shù)據(jù)采集信號鏈快速傅里葉變換 (FFT) 性能顯示 SNR 為 88.6 dB，THD 為 -110.7 dB。
在圖 4 中，電路的電源為 5 V。采用此電源時，SNR 等于 86.7 dB，THD 為 -101.1 dB。
雙通道 ADA4897-1 驅動器需要 54 mW。將雙通道驅動器的功率與 ADC 的 135 mW 功率、電壓基準和基準緩沖器的 12 mW 功率相加，得到總功率為 201 mW。圖 3 中的電路為 ADA4897-1 驅動器的輸入使用 +7 V 和 -2 V 的電源，以最大限度地降低功耗并實現(xiàn)最佳系統(tǒng)失真性能。
電路評估與測試
為了評估和測試 AD7625 ADC，Analog Devices 有一款評估板。為了測試圖 2 所示電路，兩個 ADA4897-1 運算放大器取代了板載 ADA4899-1YRDZ-R7 運算放大器。該評估板的文檔包含詳細原理圖和用戶說明。測試設置的功能框圖如圖 5 所示。
圖 5：AD7624 ADC 的測試電路：兩個 ADA4897-1 替換評估板的 ADA4899 運算放大器。（圖片來源：Analog Devices）
總結
滿足高速數(shù)據(jù)采集不同需求的理想方法是：使用高性能多路復用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，以使延時最少。本文討論了基于 SAR-ADC 架構的此類系統(tǒng)的實現(xiàn)需求。快速采樣 (6 MSPS) 的 AD7625 ADC 支持實現(xiàn)多個通道。該轉換器與高精度 ADA4897-1 激勵放大器相結合，表現(xiàn)出優(yōu)異的 SNR 和 THD 性能，使這套器件成為優(yōu)秀 X 射線解決方案的首選組合。
