數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)增強(qiáng)數(shù)字X射線和MRI的圖像

數(shù)字X射線（DXR）系統(tǒng)以固態(tài)傳感器代替膠片式探測器，包括平板探測器和線性掃描探測器。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(zhuǎn)換為電流信號(hào)。

而在間接轉(zhuǎn)換中，碘化銫閃爍計(jì)數(shù)器首先將光子轉(zhuǎn)換為可見光，然后硅光電二極管陣列將可見光轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)。每個(gè)光電二極管代表一個(gè)像素。低噪聲模擬前端將來自每個(gè)像素的小電流轉(zhuǎn)換為大電壓，然后再將電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)并傳遞給圖像處理器。

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


圖1：數(shù)字X射線信號(hào)鏈

DXR檢測器的制造商通常使用間接轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，在此類系統(tǒng)中，一百萬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(fù)用至12個(gè)或24個(gè)ADC.這項(xiàng)技術(shù)具有高效的X射線光子吸收和高信噪比，以一半的X射線照射量實(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(shù)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(yī)療成像系統(tǒng)必須提供質(zhì)量更佳的圖像，以實(shí)現(xiàn)精確診斷和更短的掃描時(shí)間，降低病人所受X射線的照射量。

高性能數(shù)據(jù)采集

圖2顯示高精度、低噪聲、18位數(shù)據(jù)采集信號(hào)鏈，提供±0.8 LSB積分非線性（INL）、±0.5 LSB差分非線性（DNL）以及99 dB信噪比（SNR）。


圖2：高精度快速設(shè)置信號(hào)鏈

這類數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可用于CT、DXR以及其他醫(yī)療成像應(yīng)用中，這些應(yīng)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(tǒng)的18位線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射線下的劑量。

對多個(gè)通道進(jìn)行多路復(fù)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(xiàn)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(fù)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(xù)像素電流，并將輸出多路復(fù)用至高速ADC.高吞吐速率允許將很多像素多路復(fù)用至單個(gè)ADC，可節(jié)省成本、空間與功耗。低噪聲和良好的線性度提供高質(zhì)量的圖像。高分辨率紅外攝像機(jī)可從該分辨率中獲益。

過采樣是以比奈奎斯特頻率高得多的速率來對輸入信號(hào)進(jìn)行采樣的過程。過采樣用于光譜分析、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(yī)療儀器中，以便精確監(jiān)控并測量多通道的小信號(hào)與大信號(hào)。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化MRI系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，降低開發(fā)成本與風(fēng)險(xiǎn)。

MRI系統(tǒng)的關(guān)鍵要求之一是在醫(yī)院或醫(yī)生辦公室中可重復(fù)、長期穩(wěn)定地測量。

為了獲得更佳的圖片質(zhì)量，這些系統(tǒng)還要求具有更高等級(jí)的線性度以及高動(dòng)態(tài)范圍，范圍從直流到幾十kHz.原則上講，對ADC進(jìn)行4倍過采樣可額外提供1位分辨率，或增加6 dB的DR.由過采樣而獲得的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(xiàn)過采樣，但要求在通道間實(shí)現(xiàn)快速切換或要求進(jìn)行精確直流測量時(shí)，過采樣會(huì)受到限制。采用逐次逼近型轉(zhuǎn)換器進(jìn)行過采樣還可改善抗混疊性能，降低噪聲。

轉(zhuǎn)換器架構(gòu)

成像系統(tǒng)和過采樣應(yīng)用中使用的精密高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)需要先進(jìn)的ADC.18位、5 MSPS PulSAR差分ADC AD7960（見圖3）采用容性DAC提供無延遲或流水線延遲的噪聲和線性度。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(yī)療成像應(yīng)用，同時(shí)極大降低了多通道應(yīng)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(quán)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(hào)）、比較器以及控制邏輯組成。采樣階段結(jié)束后，轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換階段開始。

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(jù)結(jié)果予以保留或丟棄。該過程結(jié)束時(shí)，控制邏輯產(chǎn)生ADC輸出代碼。AD7960將于開始轉(zhuǎn)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(qū)動(dòng)，同時(shí)放寬了ADC驅(qū)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(zhuǎn)換時(shí)的功耗為39 mW （5 MSPS）。AD7960提供3種外部基準(zhǔn)電壓選項(xiàng)：2.048 V、4.096 V和5 V，同時(shí)片內(nèi)緩沖器使2.048 V基準(zhǔn)電壓翻倍，因此轉(zhuǎn)換等效于4.096 V或5 V.

數(shù)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(zhuǎn)換器和主機(jī)處理器之間的數(shù)據(jù)傳輸（最高達(dá)300 MHz）。由于多個(gè)器件可共享時(shí)鐘，因此LVDS接口降低了數(shù)字信號(hào)的數(shù)量，簡化了信號(hào)路由。

它還能降低功耗，這在多路復(fù)用應(yīng)用中尤為有用。自時(shí)鐘模式利用主機(jī)處理器簡化接口，允許接頭采用簡單時(shí)序同步每次轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)。若要讓數(shù)字主機(jī)采集數(shù)據(jù)輸出，則需要用到接頭，因?yàn)閿?shù)據(jù)不存在時(shí)鐘輸出同步。回波時(shí)鐘模式提供穩(wěn)定的時(shí)序，但要使用一對額外的差分對。

ADC驅(qū)動(dòng)器

轉(zhuǎn)換器的采集時(shí)間決定了ADC驅(qū)動(dòng)器的建立時(shí)間要求。運(yùn)算放大器的數(shù)據(jù)手冊通常提供線性建立時(shí)間與壓擺時(shí)間相結(jié)合的建立時(shí)間規(guī)格；本文提供的公式為一階近似，假設(shè)線性建立和壓擺均為50%，采用5 V單端輸入。

AD8031軌到軌放大器緩沖ADR4550基準(zhǔn)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(wěn)定的基準(zhǔn)電壓，與ADC輸入電壓無關(guān)，從而最大程度降低INL.AD8031具有大容性負(fù)載穩(wěn)定性，可驅(qū)動(dòng)去耦電容，以便最大程度降低瞬態(tài)電流引起的尖峰，是各類低功耗應(yīng)用的理想之選。