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基于数字X射线的安全系统通常是邮件，行李和其他货物处理应用的第一道防线，因为它们可用于检测违禁品，麻醉品，爆炸物，武器和其他安全威胁。虽然X射线技术本身已被很好地理解，但设计人员一直面临着缩短威胁检测时间的挑战，同时还要保持准确性，分辨率和低功耗，特别是在X射线系统便携的情况下。
满足这些不同要求的理想方法是具有最小延迟的高性能多路复用数据采集系统。 本文讨论了基于逐次逼近寄存器模数转换器（SAR-ADC）实现这种系统所需的内容。与更常见的流水线ADC不同，SAR-ADC能够进行无延迟采样。它将引入样本解决方案以满足方法的需求以及使用SAR-ADC时需要考虑的因素。 
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X射线系统的功能和好处
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，以满足安全系统的需求。典型的DXR系统以高采样率将多个通道复用到单个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，许多通道被多路复用到具有高采样率的单个ADC中。 （图片来源：Bonnie Baker） 数字射线照相检测器的性能基于其图像质量进行评估。因此，必须使X射线束的采集准确并且处理精确。数字放射成像增加了动态范围，快速的采集速度和帧速率，并且使用特殊图像处理技术的均匀性允许显示增强的图像。 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准确，灵敏且快速的ADC电路。这开始于X射线信号的数字化。 |
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数字化X射线信号
图2中的电路显示了图1放大器与ADC信号链部分的电气连接。这两款ADI公司的ADA4897-1ARJZ-R7放大器创建了差分至差分放大器驱动器，可将信号发送至ADI公司的AD7625BCPZ差分输入级。 AD7625是一款16位，6兆采样/秒（MSPS）SAR-ADC。 图2：驱动AD7625 SAR-ADC的ADA4897-1放大器原理图，没有去耦电容。 （图片来源：ADI公司） 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45纳秒（ns）快速建立时间在0.1％以内，非常适合多路复用应用。 与高速流水线ADC不同，AD7652的SAR-ADC架构样本无延迟，其6 MSPS采样速率允许对多个通道进行快速采样。 ADC具有串行低压差分信号（LVDS）接口和16位直流线性性能，可确保低数字噪声并提供低引脚数。 该放大器/ ADC组合非常适合高性能多路复用数据采集系统，因为它们针对整体低噪声和低失真操作进行了优化。这种组合的应用包括这里讨论的便携式数字X射线系统和安全扫描仪。 |
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X射线系统电路描述
X射线的数据采集电路包括两个驱动器放大器，用于ADC输入，驱动器放大器的电压共模电平转换，精密电压基准和前沿16位SAR-ADC。该信号路径中的所有器件的总信噪比（SNR）为88.6分贝（dB），总谐波失真（THD）为-110.7 dB。从关键阶段的角度来检查电路是有益的： ADC的输入驱动器放大器：在图2中，ADA4897-1放大器具有低失真，在1兆赫兹（MHz）时的无杂散动态范围（SFDR）为-93 dB，快速建立时间为36 ns至0.1％，以及高带宽230 MHz。两个ADA4897-1驱动器的配置均为1 V / V增益。放大器后面的低通RC滤波器采用单极设计，采用20欧姆（Ω）电阻和56皮法（pF）电容，使其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单放大器的可行替代品是ADI公司的ADA4897-2ARMZ-RL形式的双放大器版本。 驱动放大器的电平转换：AD7625的标称2.048共模电压（VCM）通过在单位增益缓冲器配置中使用ADI公司的AD8031ARTZ-R2放大器来设置ADA4897-1的输出电压。 AD8031通过590Ω串联电阻将2.048共模偏置电压施加到ADA4897-1放大器的同相输入。由于其低输出阻抗和瞬态电流快速建立，AD8031非常适合驱动共模电压。 ADA4897-1是一款轨到轨输出放大器，采用5 V单电源供电时，摆幅在150毫伏（mV）至4.85伏之间。额外的2伏净空高度，在该范围的每一端提供-2至7伏的电压，可提供更低的失真。 ADC的参考电压：4.096电压外部参考电压，如ADI公司的ADR434TRZ-EP-R7或ADR444ARZ-REEL7，可以使用缓冲放大器（如AD8031）连接到ADC的无缓冲REF输入，如图2所示。这种配置是一种常见的多通道应用方法，其中几个ADC共享系统参考。 ADR434是一款低噪声，高精度XFET基准电压源，具有低温漂，可分别提供高达30 mA和20 mA的电流和吸收。 AD8031放大器将ADR434输出与AD7625的基准输入隔离。此外，该放大器为AD7625的REF输入提供快速建立和低阻抗瞬态电流。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的DXR获胜特性：AD7625在6 MSPS时具有92 dB SNR的动态性能，采用LVDS接口，具有16位（1 LSB）积分非线性（INL）性能。 该电路的交流性能表现出高SNR和低THD，具有两种不同的电源配置：双电源（图3）和单电源（图4）。 图3：该示波器图像显示AD7625和ADA4897-1采用双电源供电（+7伏，-2伏），SNR = 88.6 dB，THD = -110.7 dB，基波幅度= -0.6 dB满 规模。 （图片来源：ADI公司） 图4：该示波器图像显示AD7625和ADA4897-1采用单电源工作（5 V），SNR = 86.7 dB，THD = -101.1 dB，基波幅度= -1.55 dB满量程。 （图片来源：ADI公司） 在图3中，输入电路的电源为+7伏和-2伏。在这种配置中，具有20千赫兹（kHz），93％满量程信号，高精度，低噪声，16位数据采集信号链，快速傅立叶变换（FFT）性能具有88.6 dB的SNR和THD -110.7 dB。 在图4中，电路的电源为5伏。使用此电源，SNR等于86.7 dB，THD为-101.1 dB。 双ADA4897-1驱动器需要54 mW。将双驱动器功率添加到135 mW的ADC功率且参考和参考缓冲功率为12 mW时，总功率等于201 mW。图3中的电路使用+7伏和-2伏的电源作为ADA4897-1驱动器的输入，以最大限度地降低功耗并实现最佳的系统失真性能。 电路评估和测试 为了评估和测试AD7625 ADC，ADI公司有一个评估板。为了测试图2所示的电路，两个ADA4897-1运算放大器取代了板载ADA4899-1YRDZ-R7运算放大器。该板的文档包含详细的原理图和用户说明。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取代了评估板的ADA4899运算放大器。 （图片来源：ADI公司） |
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