數據采集系統增強數字X射線(xiàn)和MRI的圖像

數字X射線(xiàn)（DXR）系統以固態(tài)傳感器代替膠片式探測器，包括平板探測器和線(xiàn)性?huà)呙杼綔y器。平板探測器采用直接或間接變頻。在直接變頻中，硒光電池組成電容性元件，直接將高頻光子轉換為電流信號。

而在間接轉換中，碘化銫閃爍計數器首先將光子轉換為可見(jiàn)光，然后硅光電二極管陣列將可見(jiàn)光轉換為電流信號。每個(gè)光電二極管代表一個(gè)像素。低噪聲模擬前端將來(lái)自每個(gè)像素的小電流轉換為大電壓，然后再將電壓轉換為數字數據并傳遞給圖像處理器。

典型的DXR系統（見(jiàn)圖1）能以高采樣速率將多個(gè)通道多路復用至單ADC，同時(shí)不會(huì )犧牲精度。


圖1：數字X射線(xiàn)信號鏈

DXR檢測器的制造商通常使用間接轉換系統，在此類(lèi)系統中，一百萬(wàn)像素以上的平板探測器或光電二極管陣列捕獲光子能量，將輸出多路復用至12個(gè)或24個(gè)ADC.這項技術(shù)具有高效的X射線(xiàn)光子吸收和高信噪比，以一半的X射線(xiàn)照射量實(shí)時(shí)獲得動(dòng)態(tài)高分辨率圖像。每像素的采樣速率較低，數值從針對骨頭和牙齒的幾Hz，到獲取嬰兒心臟圖像所需的最高120Hz.

醫療成像系統必須提供質(zhì)量更佳的圖像，以實(shí)現精確診斷和更短的掃描時(shí)間，降低病人所受X射線(xiàn)的照射量。

高性能數據采集

圖2顯示高精度、低噪聲、18位數據采集信號鏈，提供±0.8 LSB積分非線(xiàn)性（INL）、±0.5 LSB差分非線(xiàn)性（DNL）以及99 dB信噪比（SNR）。


圖2：高精度快速設置信號鏈

這類(lèi)數據采集系統可用于CT、DXR以及其他醫療成像應用中，這些應用都要求在不犧牲精度的前提下提供更高的采樣速率。該系統的18位線(xiàn)性度和低噪聲性能可提升圖像質(zhì)量，而其5 MSPS的吞吐速率可縮短掃描周期、降低暴露在X射線(xiàn)下的劑量。

對多個(gè)通道進(jìn)行多路復用處理可獲得分辨率更高的圖像，用于器官（如心臟）的完整分析，實(shí)現成本合理的診斷，并最大程度降低功耗。精度、成本、功耗、尺寸、復雜性以及可靠性等極為重要。

在CT掃描儀中，每通道使用一個(gè)采樣保持電路捕獲連續像素電流，并將輸出多路復用至高速ADC.高吞吐速率允許將很多像素多路復用至單個(gè)ADC，可節省成本、空間與功耗。低噪聲和良好的線(xiàn)性度提供高質(zhì)量的圖像。高分辨率紅外攝像機可從該分辨率中獲益。

過(guò)采樣是以比奈奎斯特頻率高得多的速率來(lái)對輸入信號進(jìn)行采樣的過(guò)程。過(guò)采樣用于光譜分析、MRI、氣相色譜分析、血液分析以及其他需要具有寬動(dòng)態(tài)范圍的醫療儀器中，以便精確監控并測量多通道的小信號與大信號。高分辨率和高精度、低噪聲、快速刷新速率以及極低的輸出漂移等性能可大幅簡(jiǎn)化MRI系統的設計，降低開(kāi)發(fā)成本與風(fēng)險。

MRI系統的關(guān)鍵要求之一是在醫院或醫生辦公室中可重復、長(cháng)期穩定地測量。

為了獲得更佳的圖片質(zhì)量，這些系統還要求具有更高等級的線(xiàn)性度以及高動(dòng)態(tài)范圍，范圍從直流到幾十kHz.原則上講，對ADC進(jìn)行4倍過(guò)采樣可額外提供1位分辨率，或增加6 dB的DR.由過(guò)采樣而獲得的DR改善為：DR = log2 （OSR） x 3dB.許多情況下，Σ-Δ型ADC可以很好地實(shí)現過(guò)采樣，但要求在通道間實(shí)現快速切換或要求進(jìn)行精確直流測量時(shí)，過(guò)采樣會(huì )受到限制。采用逐次逼近型轉換器進(jìn)行過(guò)采樣還可改善抗混疊性能，降低噪聲。

轉換器架構

成像系統和過(guò)采樣應用中使用的精密高速數據采集系統需要先進(jìn)的ADC.18位、5 MSPS PulSAR差分ADC AD7960（見(jiàn)圖3）采用容性DAC提供無(wú)延遲或流水線(xiàn)延遲的噪聲和線(xiàn)性度。該器件具有寬帶寬、高精度（100dB DR）以及快速采樣（200ns）性能，可用于醫療成像應用，同時(shí)極大降低了多通道應用的功耗和成本。


圖3：AD7960功能框圖

容性DAC由差分18位二進(jìn)制加權電容陣列（該陣列還可作為采樣電容使用，采集模擬輸入信號）、比較器以及控制邏輯組成。采樣階段結束后，轉換控制輸入（CNV±）變?yōu)楦唠娖?，輸入IN+和IN？之間的差分電壓被捕獲，轉換階段開(kāi)始。

電容陣列中的每一個(gè)元件在GND和REF之間逐次切換，電荷被重新分配，輸入與DAC值進(jìn)行比較，且位根據結果予以保留或丟棄。該過(guò)程結束時(shí)，控制邏輯產(chǎn)生ADC輸出代碼。AD7960將于開(kāi)始轉換后約100 ns時(shí)返回采樣模式。采樣時(shí)間約為總周期的50%，這使AD7960易于驅動(dòng)，同時(shí)放寬了ADC驅動(dòng)器的建立時(shí)間要求。

AD7960系列采用1.8 V和5 V電源供電，以自時(shí)鐘模式轉換時(shí)的功耗為39 mW （5 MSPS）。AD7960提供3種外部基準電壓選項：2.048 V、4.096 V和5 V，同時(shí)片內緩沖器使2.048 V基準電壓翻倍，因此轉換等效于4.096 V或5 V.

數字接口采用LVDS，具有自時(shí)鐘模式和回波時(shí)鐘模式，提供轉換器和主機處理器之間的數據傳輸（最高達300 MHz）。由于多個(gè)器件可共享時(shí)鐘，因此LVDS接口降低了數字信號的數量，簡(jiǎn)化了信號路由。

它還能降低功耗，這在多路復用應用中尤為有用。自時(shí)鐘模式利用主機處理器簡(jiǎn)化接口，允許接頭采用簡(jiǎn)單時(shí)序同步每次轉換的數據。若要讓數字主機采集數據輸出，則需要用到接頭，因為數據不存在時(shí)鐘輸出同步?；夭〞r(shí)鐘模式提供穩定的時(shí)序，但要使用一對額外的差分對。

ADC驅動(dòng)器

轉換器的采集時(shí)間決定了ADC驅動(dòng)器的建立時(shí)間要求。運算放大器的數據手冊通常提供線(xiàn)性建立時(shí)間與壓擺時(shí)間相結合的建立時(shí)間規格；本文提供的公式為一階近似，假設線(xiàn)性建立和壓擺均為50%，采用5 V單端輸入。

AD8031軌到軌放大器緩沖ADR4550基準電壓的5 V輸出。第二個(gè)AD8031緩沖ADC的2.5 V共模輸出電壓。其低輸出阻抗可保持穩定的基準電壓，與ADC輸入電壓無(wú)關(guān)，從而最大程度降低INL.AD8031具有大容性負載穩定性，可驅動(dòng)去耦電容，以便最大程度降低瞬態(tài)電流引起的尖峰，是各類(lèi)低功耗應用的理想之選。