Une architecture pour améliorer le débit des systèmes de sécurité à rayons X

Les systèmes de sécurité numériques à rayons X constituent souvent la première ligne de défense des applications de traitement du courrier, des bagages et du fret, car ils permettent de détecter la contrebande, les stupéfiants, les explosifs, les armes et autres menaces à la sécurité. Bien que les techniques à rayons X elles-mêmes soient bien assimilées, les concepteurs doivent constamment réduire le délai de détection des menaces, tout en maintenant la précision, la résolution et une basse consommation, plus particulièrement comme les systèmes à rayons X sont de plus en plus portables.

L'approche idéale pour répondre à ces exigences divergentes consiste à utiliser un système d'acquisition de données multiplexé hautes performances avec des latences minimales.

Cet article explique les éléments nécessaires pour implémenter un tel système basé sur un convertisseur analogique-numérique à registre d'approximations successives (CAN SAR). Contrairement au CAN pipeline plus commun, le CAN SAR permet un échantillonnage sans latence. Cet article présente des exemples de solutions adaptées aux besoins de l'approche et les éléments à prendre en compte lors de l'utilisation d'un CAN SAR.

Fonction et avantages des systèmes à rayons X

Les dispositifs à rayons X numériques (DXR) nécessitent des systèmes compacts d'acquisition de données hautes performances et basse consommation afin de répondre à la demande du système de sécurité. Un système DXR typique multiplexe de nombreux canaux à des taux d'échantillonnage élevés dans un seul CAN, et ce, sans sacrifier la précision (Figure 1).

Figure 1 : Dans une chaîne de signaux de rayons X numériques typique, de nombreux canaux sont multiplexés dans un seul CAN avec des taux d'échantillonnage élevés. (Source de l'image : Bonnie Baker)

Les performances du détecteur de radiographie numérique sont évaluées en fonction de la qualité de l'image. Par conséquent, la précision de l'acquisition du faisceau de rayons X et du traitement est essentielle. La plage dynamique accrue de la radiographie numérique, sa vitesse d'acquisition et sa fréquence d'images rapides, ainsi que l'utilisation uniforme de techniques de traitement d'images permettent un affichage d'images de meilleure qualité.

Les systèmes d'imagerie de sécurité doivent fournir des images améliorées pour une détection précise et des temps de numérisation plus courts pour augmenter le débit. Les systèmes de sécurité basés sur les rayons X nécessitent donc des circuits CAN précis, sensibles et rapides. Cela commence par la numérisation des signaux de rayons X.

Numérisation des signaux de rayons X

Le circuit de la Figure 2 illustre les connexions électriques de l'amplificateur de la Figure 1 à la partie chaîne de signaux du CAN. Les deux amplificateurs ADA4897-1ARJZ-R7 d'Analog Devices créent un circuit d'attaque d'amplificateur différentiel-différentiel qui envoie des signaux à l'étage d'entrée différentiel de l'AD7625BCPZ d'Analog Devices. L'AD7625 est un CAN SAR 16 bits, 6 Méch./s.

Figure 2 : Schéma de l'amplificateur ADA4897-1 commandant le CAN SAR AD7625, sans condensateur de découplage. (Source de l'image : Analog Devices)

Les circuits d'attaque de l'ADA4897-1 utilisent deux amplificateurs opérationnels à faible bruit qui permettent de maintenir les performances dynamiques du CAN AD7625. De plus, le temps de stabilisation rapide de l'ADA4897-1, de 45 ns à 0,1 % près, convient bien aux applications multiplexées.

Contrairement aux CAN pipelines haute vitesse, les échantillons de l'architecture CAN SAR de l'AD7652 sont sans latence et le taux d'échantillonnage de 6 Méch./s permet un échantillonnage rapide de plusieurs canaux. Le CAN est doté d'une interface série de signalisation différentielle à basse tension (LVDS) et affiche des performances de linéarité CC 16 bits pour garantir un faible bruit numérique et fournir un faible nombre de broches.

Cette combinaison amplificateur/CAN est idéale pour les systèmes d'acquisition de données multiplexés hautes performances, car ils sont optimisés pour un fonctionnement global à faible bruit et à faible distorsion. Les applications pour une telle combinaison incluent les systèmes numériques à rayons X portables et les scanners de sécurité abordés ici.

Description du circuit du système à rayons X

Le circuit d'acquisition de données du système à rayons X comprend deux amplificateurs d'attaque à l'entrée du CAN, un décalage de niveau de tension de mode commun pour les amplificateurs d'attaque, une référence de tension de précision et un CAN SAR 16 bits de pointe. Tous les dispositifs présents sur ce trajet du signal contribuent à un rapport signal/bruit (SNR) global de 88,6 dB et à une distorsion harmonique totale (THD) de -110,7 dB. Il est intéressant d'examiner le circuit par rapport à des étapes clés :

Amplificateurs d'attaque à l'entrée du CAN : sur la Figure 2, les amplificateurs ADA4897-1 ont une faible distorsion avec une plage dynamique sans parasites (SFDR) de -93 dB à 1 MHz, un temps de stabilisation rapide de 36 ns à 0,1 % près et une bande passante élevée de 230 MHz. La configuration des deux circuits d'attaque ADA4897-1 représente un gain de 1 V/V. Le filtre passe-bas RC qui suit les amplificateurs est une conception unipolaire qui utilise une résistance de 20 Ω et un condensateur de 56 pF, ce qui lui confère une fréquence d'atténuation de 3 dB à 142 MHz. Ce filtre passe-bas atténue le bruit de sortie de l'amplificateur et les harmoniques hors bande. Si besoin, il est possible de remplacer les deux amplificateurs simples ADA4897-1 par une version à double amplificateur sous la forme de l'ADA4897-2ARMZ-RL d'Analog Devices.

Décalage de niveau de l'amplificateur d'attaque : la tension de mode commun (VCM) 2,048 nominale de l'AD7625 définit la tension de sortie de l'ADA4897-1 à l'aide de l'amplificateur AD8031ARTZ-R2 d'Analog Devices dans une configuration de tampon gain unité. L'AD8031 applique la tension de polarisation de mode commun 2,048 aux entrées non inverseuses des amplificateurs ADA4897-1 via les résistances série de 590 Ω. En raison de sa faible impédance de sortie et de sa stabilisation rapide de courants transitoires, l'AD8031 convient parfaitement à la commande des tensions de mode commun.

L'ADA4897-1 est un amplificateur de sortie rail-à-rail et, lorsqu'il fonctionne avec une alimentation simple de 5 V, il oscille entre 150 mV et 4,85 V. Une marge supplémentaire de 2 V avec des alimentations de -2 V à 7 V à chaque extrémité de la plage fournit une distorsion inférieure.

Tension de référence du CAN : une référence externe de tension 4,096, telle que l'ADR434TRZ-EP-R7 ou l'ADR444ARZ-REEL7 d'Analog Devices, peut être connectée à l'entrée REF sans tampon du CAN à l'aide d'un amplificateur séparateur tel que l'AD8031, comme illustré à la Figure 2. Cette configuration est une approche d'application multicanale courante dans laquelle plusieurs CAN partagent la référence système.

L'ADR434 est une référence XFET à faible bruit et haute précision avec une faible dérive de température pouvant générer et absorber jusqu'à 30 mA et 20 mA, respectivement. Un amplificateur AD8031 isole la sortie de l'ADR434 de l'entrée de référence de l'AD7625. De plus, cet amplificateur fournit une stabilisation rapide et une faible impédance aux courants transitoires sur l'entrée REF de l'AD7625. Le rail de 7 V utilisé pour alimenter les amplificateurs opérationnels ADA4897-1 peut également alimenter la broche VIN de l'ADR434.

Caractéristiques gagnantes de l'AD7625 pour les systèmes numériques à rayons X : l'AD7625 atteint des performances dynamiques de rapport signal/bruit de 92 dB à 6 Méch./s, avec des performances de non-linéarité intégrale (INL) de 16 bits (1 LSB) à l'aide d'une interface LVDS.

Les performances CA du circuit démontrent un rapport signal/bruit élevé et une distorsion harmonique totale faible avec deux configurations d'alimentation différentes : alimentation double (Figure 3) et alimentation simple (Figure 4).

Figure 3 : Cette image d'oscilloscope montre les dispositifs AD7625 et ADA4897-1 en mode d'alimentation double (+7 V, -2 V) avec un rapport signal/bruit = 88,6 dB, une distorsion harmonique totale = -110,7 dB et une amplitude fondamentale = -0,6 dB de la pleine échelle. (Source de l'image : Analog Devices)

Figure 4 : Cette image d'oscilloscope montre les dispositifs AD7625 et ADA4897-1 en mode d'alimentation simple (5 V) avec un rapport signal/bruit = 86,7 dB, une distorsion harmonique totale = -101,1 dB et une amplitude fondamentale = -1,55 dB de la pleine échelle. (Source de l'image : Analog Devices)

Sur la Figure 3, l'alimentation du circuit d'entrée est de +7 V et de -2 V. Dans cette configuration, avec un signal pleine échelle de 93 % de 20 kHz, les performances de transformation de Fourier rapide (FFT) de la chaîne de signaux d'acquisition de données haute précision et à faible bruit présentent un rapport signal/bruit de 88,6 dB et une distorsion harmonique totale de -110,7 dB.

Sur la Figure 4, l'alimentation du circuit est de 5 V. Avec cette alimentation, le rapport signal/bruit est égal à 86,7 dB et la distorsion harmonique totale à -101,1 dB.

Le circuit d'attaque double de l'ADA4897-1 requiert 54 mW. Lorsque vous ajoutez la puissance du double circuit d'attaque à la puissance du CAN de 135 mW, et à la puissance de référence et du tampon de référence de 12 mW, la puissance totale est égale à 201 mW. Le circuit de la Figure 3 utilise des alimentations de +7 V et -2 V pour l'entrée des circuits d'attaque ADA4897-1 afin de minimiser la dissipation de puissance et d'optimiser les performances de distorsion du système.

Évaluation et test du circuit

Pour évaluer et tester le CAN AD7625, Analog Devices propose une carte d'évaluation. Pour tester le circuit illustré à la Figure 2, les deux amplificateurs opérationnels ADA4897-1 remplacent les amplificateurs opérationnels ADA4899-1YRDZ-R7 intégrés. La documentation de la carte contient un schéma détaillé et des instructions pour l'utilisateur. Un schéma fonctionnel de la configuration de test est présenté à la Figure 5.

Figure 5 : Circuit de test pour le CAN AD7624 : les deux ADA4897-1 remplacent les amplificateurs opérationnels ADA4899 de la carte d'évaluation. (Source de l'image : Analog Devices)

Conclusion

L'approche idéale pour répondre à ces différentes exigences en matière d'acquisition de données haute vitesse consiste à utiliser un système d'acquisition de données multiplexé hautes performances minimisant les temps de latence. Cet article traite des besoins d'implémentation d'un tel système basé sur une architecture CAN SAR. Le CAN AD7625 à échantillonnage rapide (6 Méch./s) permet l'implémentation de plusieurs canaux. Ce convertisseur, associé aux amplificateurs d'attaque ADA4897-1 haute précision, présente d'excellentes performances de rapport signal/bruit et de distorsion harmonique totale, faisant de cet ensemble de dispositifs une combinaison privilégiée pour d'excellentes solutions à rayons X.