Un'architettura per migliorare la produttività di sistemi di sicurezza a raggi X

I sistemi di sicurezza digitali a raggi X sono spesso la prima linea di difesa per le spedizioni postali, i bagagli e altre applicazioni di movimentazione merci. Vengono utilizzati infatti per rilevare merce di contrabbando, narcotici, esplosivi, armi e altre minacce alla sicurezza. Le tecniche dei raggi X sono ben note, ma i progettisti vengono costantemente sollecitati a ridurre i tempi di rilevamento delle minacce, garantendo comunque precisione, risoluzione e bassi consumi, in particolare quando gli apparecchi sono portatili.

L'approccio ideale per soddisfare questi requisiti divergenti è un sistema di acquisizione dati multiplato ad alte prestazioni con latenze minime.

Questo articolo prende in esame cosa è necessario per implementare un tale sistema basato su un convertitore analogico/digitale con registro ad approssimazioni successive (ADC SAR). A differenza del più diffuso convertitore ADC a pipeline, l'ADC SAR è in grado di effettuare un campionamento senza latenza. Introdurremo quindi alcune soluzioni di esempio per soddisfare le esigenze di questo approccio e parleremo dei fattori da prendere in considerazione quando si utilizza un ADC SAR.

Funzionamento e vantaggi dei sistemi a raggi X

Per soddisfare i requisiti dei sistemi di sicurezza, i dispositivi digitali a raggi X (DXR) richiedono sistemi di acquisizione dati di piccole dimensioni, ad alte prestazioni e a basso consumo. Un tipico sistema DXR multipla molti canali ad alta frequenza di campionamento in un singolo ADC senza sacrificare la precisione (Figura 1).

Figura 1: In una tipica catena di segnali digitali da raggi X, molti canali vengono multiplati in un singolo ADC con alta frequenza di campionamento. (Immagine per gentile concessione di Bonnie Baker)

Le prestazioni del rilevatore radiografico digitale sono valutate in base alla qualità dell'immagine. Di conseguenza, è essenziale che l'acquisizione del fascio di raggi X sia accurata e che l'elaborazione sia precisa. L'incremento della gamma dinamica, la velocità di acquisizione e del frame rate della radiografia digitale, nonché l'uniformità grazie a speciali tecniche di elaborazione consentono la visualizzazione di immagini migliorate.

I sistemi di imaging di sicurezza devono fornire immagini di qualità superiore per un rilevamento accurato e tempi di scansione più brevi per aumentare la produttività. È per tali ragioni che i sistemi di sicurezza basati su raggi X devono affidarsi a circuiti ADC che siano precisi, sensibili e veloci. Tutto inizia dalla digitalizzazione del segnale dei raggi X.

Digitalizzazione del segnale dei raggi X

Il circuito in Figura 2 mostra i collegamenti elettrici dell'amplificatore in Figura 1 con la parte della catena di segnali ADC. I due amplificatori ADA4897-1ARJZ-R7 di Analog Devices danno origine a un driver amplificatore da differenziale a differenziale che invia i segnali allo stadio di ingresso differenziale di AD7625BCPZ di Analog Devices. AD7625 è un ADC SAR a 16 bit, da 6 Msps.

Figura 2: Schema dell'amplificatore ADA4897-1 che pilota l'ADC SAR AD7625, senza condensatori di disaccoppiamento. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

I driver ADA4897-1 utilizzano due amplificatori operazionali a basso rumore che aiutano a mantenere le prestazioni dinamiche dell'ADC AD7625. Inoltre, il tempo di assestamento rapido di ADA4897-1 di 45 nanosecondi (ns) entro lo 0,1% è idoneo per applicazioni multiplate.

A differenza degli ADC a pipeline ad alta velocità, i campioni dell'architettura dell'ADC SAR di AD7652 sono privi di latenza; inoltre la frequenza di campionamento di 6 Msps di questo ADC consente un campionamento rapido per più canali. L'ADC ha un'interfaccia seriale di segnalazione differenziale a bassa tensione (LVDS, Low Voltage Differential Signaling) e prestazioni di linearità c.c. a 16 bit per garantire un basso rumore digitale e un numero di pin contenuto.

Questa combinazione amplificatore/ADC è ideale per sistemi di acquisizione dati multiplati ad alte prestazioni in quanto sono ottimizzati per un funzionamento a basso rumore e bassa distorsione. Le applicazioni per una tale combinazione includono gli apparecchi radiografici digitali portatili e gli scanner di sicurezza di cui stiamo parlando.

Descrizione del circuito del sistema a raggi X

Il circuito di acquisizione dati dei raggi X comprende due amplificatori di pilotaggio all'ingresso dell'ADC, una traslazione di livello di modo comune in tensione per tali amplificatori, un riferimento di tensione di precisione e un ADC SAR a 16 bit. Tutti i dispositivi in questo percorso del segnale contribuiscono a un rapporto segnale/rumore complessivo (SNR) di 88,6 decibel (dB) e a una distorsione armonica totale (THD) di -110,7 dB. È utile esaminare il circuito dal punto di vista degli stadi basilari:

Amplificatori di pilotaggio dell'ingresso dell'ADC: nella Figura 2, gli amplificatori ADA4897-1 presentano una bassa distorsione e un intervallo dinamico libero da spurie (SFDR) di -93 dB a 1 megahertz (MHz), un tempo di assestamento rapido di 36 ns a 0,1% e una notevole larghezza di banda di 230 MHz. La configurazione di entrambi i driver ADA4897-1 è un guadagno di 1 V/V. Il filtro RC passa-basso a valle degli amplificatori è di tipo unipolare e utilizza un resistore da 20 ohm (Ω) e un condensatore da 56 picofarad (pF) che gli dà una frequenza di roll-off di 3 dB di 142 MHz. Questo filtro passa-basso attenua il rumore di uscita dell'amplificatore e le armoniche fuori banda. Se lo si desidera, un valido sostituto per i due amplificatori singoli ADA4897-1 è una versione a doppio amplificatore come ADA4897-2ARMZ-RL di Analog Devices.

Traslazione di livello dell'amplificatore di pilotaggio: la tensione di modo comune (VCM) di 2,048 nominali di AD7625 imposta la tensione di uscita di ADA4897-1 utilizzando l'amplificatore AD8031ARTZ-R2 di Analog Devices in una configurazione di buffer a guadagno unitario. AD8031 applica la tensione di polarizzazione di modo comune di 2,048 attraverso i resistori in serie da 590 Ω agli ingressi non invertenti degli amplificatori ADA4897-1. Grazie alla sua bassa impedenza d'uscita e all'assestamento rapido da correnti transitorie, AD8031 è idoneo a pilotare tensioni di modo comune.

ADA4897-1 è un amplificatore di uscita rail-to-rail e, quando funziona con una singola alimentazione a 5 V, oscilla tra 150 mV e 4,85 V. Ulteriori 2 V di margine con alimentazioni da -2 a 7 V ad ogni estremità dell'intervallo forniscono una minore distorsione.

Tensione di riferimento dell'ADC: è possibile connettere all'ingresso REF non bufferizzato dell'ADC un riferimento esterno di tensione di 4,096 come ADR434TRZ-EP-R7 o ADR444ARZ-REEL7 di Analog Devices usando un amplificatore buffer come AD8031 (Figura 2). Questa configurazione è un approccio applicativo multicanale comune in cui diversi ADC condividono il riferimento di sistema.

ADR434 è un riferimento di tensione XFET a basso rumore e alta precisione con bassa deriva di temperatura che può generare fino a 30 mA e assorbire fino a 20 mA. Un amplificatore AD8031 isola l'uscita di ADR434 dall'ingresso di riferimento di AD7625. Inoltre, questo amplificatore garantisce un assestamento rapido e bassa impedenza alle correnti transitorie sull'ingresso REF di AD7625. Il rail a 7 V usato per alimentare gli amplificatori operazionali ADA4897-1 può anche alimentare il pin VIN di ADR434.

Le caratteristiche vincenti di AD7625 per i DXR: AD7625 raggiunge prestazioni dinamiche di 92 dB SNR a 6 Msps con caratteristiche di non linearità integrale (INL) a 16 bit (1 LSB) con un'interfaccia LVDS.

Le prestazioni c.a. del circuito mostrano un SNR elevato e un basso THD con due diverse configurazioni di alimentazione: doppia (Figura 3) e singola (Figura 4).

Figura 3: Lo schermo dell'oscilloscopio mostra AD7625 e ADA4897-1 in funzionamento con doppia alimentazione (+7 V, -2 V) con un SNR = 88,6 dB, un THD = -110,7 dB e un'ampiezza della frequenza fondamentale = -0,6 dB del fondo scala. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Figura 4: Lo schermo dell'oscilloscopio mostra AD7625 e ADA4897-1 in funzionamento con alimentazione singola (5 V) con un SNR = 86,7 dB, un THD = -101,1 dB e un'ampiezza della frequenza fondamentale = -1,55 dB del fondo scala. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

In Figura 3, l'alimentazione del circuito di ingresso è di +7 V e -2 V. In questa configurazione, con un segnale a 20 kHz al 93% del fondo scala, la caratteristica della trasformata di Fourier veloce (FFT) della catena di segnali di acquisizione dati a 16 bit ad alta precisione e a basso rumore mostra un SNR di 88,6 dB e un THD di -110,7 dB.

In Figura 4, l'alimentazione del circuito è di 5 V. Con questa alimentazione, l'SNR è pari a 86,7 dB e il THD è -101,1 dB.

Il doppio driver ADA4897-1 richiede 54 mW. Sommando la potenza del doppio driver e quella dell'ADC di 135 mW più la potenza del riferimento e del buffer di riferimento di 12 mW, la potenza totale è pari a 201 mW. Il circuito in Figura 3 utilizza un'alimentazione di +7 V e -2 V per l'ingresso dei driver ADA4897-1 per ridurre al minimo la dissipazione di potenza e ottenere le migliori prestazioni sulla distorsione del sistema.

Valutazione e test del circuito

Per valutare e testare l'ADC AD7625, Analog Devices mette a disposizione una scheda di valutazione. Per testare il circuito mostrato in Figura 2, i due amplificatori operazionali ADA4897-1 sostituiscono quelli su scheda ADA4899-1YRDZ-R7. La documentazione della scheda contiene uno schema dettagliato e le istruzioni per l'uso. In Figura 5 è possibile esaminare uno schema a blocchi funzionali della configurazione di test.

Figura 5: Circuito di prova dell'ADC AD7624: i due ADA4897-1 sostituiscono gli amplificatori operazionali ADA4899 della scheda di valutazione. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Conclusione

L'approccio ideale per soddisfare le diverse esigenze di acquisizione dati ad alta velocità è rappresentato dall'utilizzo di un sistema di acquisizione dati multiplato ad alte prestazioni che riduce al minimo le latenze. Questo articolo prende in esame i requisiti per implementare un tale sistema basato su un'architettura ADC SAR. L'ADC AD7625 a campionamento veloce (6 Msps) permette l'implementazione di più canali. Questo convertitore, abbinato agli amplificatori driver ADA4897-1 ad alta precisione, offre eccellenti prestazioni SNR e THD, rendendo questo assieme di dispositivi un'opzione di elezione per ottime soluzioni basate su raggi X.