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Una arquitectura para mejorar la tasa de producción del sistema de seguridad de rayos X

Por Bonnie Baker

Colaboración de Editores de Digi-Key de América del Norte

Los sistemas de seguridad digitales basados en rayos X son, a menudo, la primera línea de defensa en correo, equipaje y otras aplicaciones de manejo de carga, ya que pueden usarse para detectar contrabando, narcóticos, explosivos, armas y otras amenazas de seguridad. Si bien las técnicas de rayos X en sí mismas son bien conocidas, los diseñadores se enfrentan constantemente al desafío de acortar el tiempo de detección de amenazas, al tiempo que mantienen la precisión, la resolución y la baja potencia, especialmente cuando los sistemas de rayos X se vuelven portátiles.

El enfoque ideal para cumplir con estos requisitos divergentes es un sistema de adquisición de datos multiplexado de alto rendimiento con latencias mínimas.

Este artículo describe lo que se necesita para implementar un sistema de este tipo basado en un convertidor analógico a digital de registro de aproximación sucesiva (SAR-ADC). A diferencia del ADC de canalización más común, el SAR-ADC es capaz de realizar un muestreo sin latencia. Presentará soluciones de muestra para satisfacer las necesidades del enfoque y lo que se debe considerar al usar un SAR-ADC.

Función y beneficios de los sistemas de rayos x

Los dispositivos digitales de rayos X (DXR) requieren sistemas de adquisición de datos pequeños, de alto rendimiento y bajo consumo de energía para satisfacer las demandas del sistema de seguridad. Un sistema DXR típico multiplexa muchos canales a altas tasas de muestreo en un solo ADC sin sacrificar la precisión (Figura 1).

Diagrama de la cadena digital de señales de rayos X típica

Figura 1: En una cadena de señales de rayos X típica, muchos canales se multiplexan en un solo ADC con altas tasas de muestreo. (Fuente de la imagen: Bonnie Baker)

El rendimiento del detector de radiografía digital se evalúa según la calidad de su imagen. Como consecuencia, es esencial que la adquisición del haz de rayos X sea exacto y que el procesamiento sea preciso. El aumento del rango dinámico de la radiografía digital, la velocidad de adquisición rápida y la velocidad de fotogramas, y la uniformidad mediante el uso de técnicas especiales de procesamiento de imágenes permiten la visualización de imágenes mejoradas.

Los sistemas de imágenes de seguridad deben proporcionar imágenes mejoradas para una detección precisa y tiempos de escaneo más cortos para aumentar la tasa de producción, por lo que los sistemas de seguridad basados en rayos X necesitan circuitos ADC que sean precisos, sensibles y rápidos. Esto comienza con la digitalización de la señal de rayos x.

Digitalización de la señal de rayos x

El circuito en la Figura 2 muestra las conexiones eléctricas del amplificador de la Figura 1 a la parte de la cadena de señales del ADC. Los dos amplificadores ADA4897-1ARJZ-R7 de Analog Devices crean un controlador de amplificador de diferencial a diferencial que envía señales a la etapa de entrada diferencial del AD7625BCPZ de Analog Devices. El AD7625 es un SAR-ADC de 16 bits, 6 megamuestras por segundo (MSPS).

Esquema del amplificador ADA4897-1 de Analog Devices que maneja el AD7625 SAR-ADC (haga clic para ampliar)

Figura 2: Esquema del amplificador ADA4897-1 que impulsa el AD7625 SAR-ADC, sin capacitadores de desacople. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

Los controladores ADA4897-1 usan dos amplificadores operacionales de bajo ruido que ayudan a mantener el rendimiento dinámico del AD7625 ADC. Además, el tiempo de estabilización rápido del ADA4897-1 de 45 nanosegundos (ns) hasta dentro del 0.1 % es un buen ajuste para aplicaciones multiplexadas.

A diferencia de los ADC de canalización de alta velocidad, las muestras de arquitectura SAR-ADC del AD7652 están libres de latencia, y su tasa de muestreo de 6 MSPS permite el muestreo rápido para múltiples canales. El ADC tiene una interfaz de tecnología de señal diferencial de bajo voltaje (LVDS) en serie y un rendimiento de linealidad de CC de 16 bits para garantizar un bajo ruido digital y proporcionar un bajo número de pines.

Esta combinación de amplificador/ADC es ideal para sistemas de adquisición de datos multiplexados de alto rendimiento, ya que están optimizados para un funcionamiento general de bajo ruido y baja distorsión. Las aplicaciones para tal combinación incluyen los sistemas digitales de rayos X portátiles y los escáneres de seguridad que se analizan aquí.

Descripción del circuito del sistema de rayos X

El circuito de adquisición de datos de rayos X comprende dos amplificadores de controladores a la entrada del ADC, un desfasador de nivel de modo común de voltaje para los amplificadores de controladores, una referencia de voltaje de precisión y un SAR-ADC de 16 bits de vanguardia. Todos los dispositivos en esta ruta de señal contribuyen a una relación señal-ruido (SNR) global de 88.6 decibeles (dB) y una distorsión armónica total (THD) de −110.7 dB. Es beneficioso examinar el circuito desde el punto de vista de las etapas clave:

Los amplificadores de controladores de entrada del ADC: En la Figura 2, los amplificadores ADA4897-1 tienen baja distorsión con un rango dinámico libre de espurios (SFDR) de −93 dB a 1 megahercios (mHz), un tiempo de estabilización rápido de 36 ns a 0.1 % y un ancho de banda alto de 230 mHz. La configuración de ambos controladores ADA4897-1 es una ganancia de 1 V/V. El filtro RC de paso bajo que sigue a los amplificadores es un diseño de un solo polo que usa una resistencia de 20 ohmios (Ω) y un capacitor de 56 picofaradios (pF) que le da una frecuencia de reducción de 3 dB de 142 mHz. Este filtro de paso bajo atenúa el ruido de salida del amplificador y los armónicos fuera de banda. Si se desea, un reemplazo viable para los dos amplificadores individuales ADA4897-1 es una versión de doble amplificador en forma de ADA4897-2ARMZ-RL de Analog Devices.

Impulsar el desfasador de nivel del amplificador: El voltaje nominal de modo común (VCM) del AD7625 establece el voltaje de salida del ADA4897-1 mediante el uso del amplificador AD8031ARTZ-R2 de Analog Devices en una configuración de búfer de ganancia de unidad. El AD8031 aplica el voltaje de polarización de modo común 2.048 a través de las resistencias en serie de 590 Ω a las entradas no inversas de los amplificadores ADA4897-1. Debido a su baja impedancia de salida y la estabilización rápida de las corrientes transitorias, el AD8031 es una buena opción para controlar los voltajes de modo común.

El ADA4897-1 es un amplificador de salida de riel a riel, y cuando funciona con un solo suministro de 5 voltios, oscila entre 150 milivoltios (mV) y 4.85 voltios. Un adicional de 2 voltios de margen de sobrecarga con suministros de -2 a 7 voltios en cada extremo del rango proporciona una menor distorsión.

Voltaje de referencia del ADC: Se puede conectar una referencia externa de voltaje de 4.096, como el ADR434TRZ-EP-R7 o el ADR444ARZ-REEL7 de Analog Devices, a la entrada REF sin búfer del ADC mediante el uso de un amplificador de búfer como el AD8031, como se muestra en la Figura 2. Esta configuración es un enfoque de aplicación multicanal común donde varios ADC comparten la referencia del sistema.

El ADR434 es una referencia XFET de bajo ruido y alta precisión con desviación de baja temperatura que puede obtener y disipar hasta 30 mA y 20 mA, respectivamente. Un amplificador AD8031 aísla la salida ADR434 de la entrada de referencia del AD7625. Además, este amplificador proporciona una estabilización rápida y baja impedancia a las corrientes transitorias en la entrada REF del AD7625. El riel de 7 voltios utilizado para suministrar los amplificadores operacionales ADA4897-1 también puede suministrar el pin de suministro VIN del ADR434.

Las características ganadoras del AD7625 para DXRs: El AD7625 logra un rendimiento dinámico de 92 dB SNR a 6 MSPS con un rendimiento de no linealidad integral (INL) de 16 bits (1 LSB) mediante una interfaz LVDS.

El rendimiento de CA del circuito demuestra una SNR alta y una THD baja con dos configuraciones de fuente de alimentación diferentes: alimentación doble (Figura 3) y alimentación única (Figura 4).

Imagen de la imagen del alcance que muestra el AD7625 y el ADA4897-1 de Analog Devices en operación de suministro dual

Figura 3: Esta imagen de alcance muestra el AD7625 y el ADA4897-1 en operación de suministro dual (+7 voltios, −2 voltios) con una SNR = 88.6 dB, una THD = −110.7 dB, y una amplitud fundamental = −0.6 dB de escala completa. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

Imagen de la imagen del alcance que muestra el AD7625 y el ADA4897-1 de Analog Devices en operación de suministro simple

Figura 4: Esta imagen de alcance muestra el AD7625 y el ADA4897-1 en operación de suministro simple (5 voltios) con una SNR = 86.7 dB, una THD = -101.1 dB, y una amplitud fundamental = -1.55 dB de escala completa. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

En la Figura 3, la fuente de alimentación al circuito de entrada es de +7 voltios y −2 voltios. En esta configuración, con una señal de 20 kilohercios (kHz), 93 % de escala completa, el rendimiento de la transformada rápida de Fourier (FFT) de alta velocidad, bajo ruido y de 16 bits de la señal de adquisición de datos presenta una SNR de 88.6 dB y una THD de −110.7 dB.

En la Figura 4, la fuente de alimentación al circuito es de 5 voltios. Con esta fuente de alimentación, la SNR es igual a 86.7 dB, y la THD es igual a −101.1 dB.

El controlador doble ADA4897-1 requiere 54 mW. Cuando se agrega la potencia del controlador dual a la potencia del ADC de 135 mW y la potencia de referencia y del búfer de referencia de 12 mW, la potencia total es igual a 201 mW. El circuito en la Figura 3 utiliza suministros de +7 voltios y −2 voltios para la entrada de los controladores ADA4897-1 para minimizar la disipación de potencia y lograr el rendimiento óptimo de distorsión del sistema.

Evaluación y prueba de circuitos

Para evaluar y probar el AD7625 ADC, Analog Devices tiene una placa de evaluación. Para probar el circuito que se muestra en la Figura 2, los dos amplificadores operacionales ADA4897-1 reemplazan los amplificadores operacionales ADA4899-1YRDZ-R7 integrados. La documentación de la Junta contiene un esquema detallado e instrucciones para el usuario. En la Figura 5 se muestra un diagrama de bloques funcional de la configuración de la prueba.

Diagrama del circuito de prueba para AD7624 ADC

Figura 5: Circuito de prueba para AD7624 ADC: los dos ADA4897-1 reemplazan los amplificadores operacionales ADA4899 de la placa de evaluación. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

Conclusión

El enfoque ideal para satisfacer estos diferentes requisitos de adquisición de datos de alta velocidad es utilizar un sistema de adquisición de datos multiplexado de alto rendimiento que minimice las latencias. Este artículo analiza las necesidades de implementación de un sistema de este tipo basado en una arquitectura SAR-ADC. El ADC de muestreo rápido (6 MSPS) AD7625 permite la implementación de múltiples canales. Este convertidor, en combinación con los amplificadores de controladores ADA4897-1 de alta precisión, demuestra un excelente rendimiento de SNR y THD, lo que hace de este conjunto de dispositivos una combinación preferida para soluciones de rayos X excelentes.

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Acerca de este autor

Bonnie Baker

Bonnie Baker es un colaborador de Digi-Key. Su paso por Burr-Brown, Microchip y Texas Instruments le ha permitido involucrarse en el diseño analógico y los sistemas analógicos durante los últimos 30 años. Bonnie tiene un Máster en Ingeniería eléctrica de la University of Arizona (Tucson, AZ) y un título de grado en educación musical de Northern Arizona University (Flagstaff, AZ). Además de su interés en el diseño analógico, a Bonnie le encanta compartir su conocimiento y experiencia en los más de 450 artículos, notas de diseño y notas de aplicación que ha publicado.

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