簡(jiǎn)介

數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器就像一個(gè)小小的奇跡發(fā)生器，它將現(xiàn)實(shí)世界中的信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字表達(dá)，然后以高效且抗噪的方式傳輸、處理并存儲(chǔ)。這些轉(zhuǎn)換器花樣繁多，而且應(yīng)用范圍廣泛，從音頻處理到科學(xué)儀器，再到圖像掃描儀。

本文將簡(jiǎn)要介紹模數(shù)轉(zhuǎn)換器?(ADC)，并探討如何利用 MDC91128 這樣的高度集成解決方案來(lái)改進(jìn)要求快速、高分辨率成像的 X 射線掃描應(yīng)用。?

模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)

?模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 可以將連續(xù)模擬輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為離散的數(shù)字信號(hào)，并以一序列 1 和 0 的形式進(jìn)行傳送。這些輸入信號(hào)被量化為數(shù)字格式后，再進(jìn)一步處理或傳輸時(shí)將不易受噪聲影響。

ADC 有多種架構(gòu)，包括?Delta-Sigma、逐次逼近寄存器 (SAR)?和流水線（Pipelined）ADC。無(wú)論采用何種架構(gòu)，所有 ADC 都提供相同的基本功能，即，將輸 f 入電壓信號(hào)與固定滿量程 (100%) 參考電壓 (VREF) 進(jìn)行比較，并分配一個(gè)數(shù)字代碼來(lái)表示信號(hào)電平大小與參考電壓相比的比率。例如，當(dāng) VREF?為 10V 時(shí)，如果輸入信號(hào)僅為 3V，ADC 將使用特定的 1 和 0 序列來(lái)表示輸入電壓為 VREF?的 30%；如果這是一個(gè) 8 位轉(zhuǎn)換器，則其二進(jìn)制輸出將為 010（參見(jiàn)圖 1）。

然而，設(shè)計(jì)人員想要轉(zhuǎn)換的許多信號(hào)（例如溫度、光照水平或壓力）都是無(wú)法由 ADC 直接處理的物理量。 這就需要用熱電偶、光電二極管和應(yīng)變儀等換能器將這些物理量轉(zhuǎn)換為電壓、電流和電阻等電氣參數(shù)。而信號(hào)調(diào)理電路則處理這些電氣信號(hào)，使其與 ADC 的輸入兼容。這其中又包含了進(jìn)一步的信號(hào)轉(zhuǎn)換，例如從電流到電壓的轉(zhuǎn)換、縮放和移位以匹配 ADC 的輸入范圍（由 VREF?定義）、緩沖以恰當(dāng)驅(qū)動(dòng) ADC 的輸入阻抗，以及濾波以減少噪聲和混疊（較高頻率的信號(hào)可能會(huì)折返至較低頻率，從而導(dǎo)致精度失真），如圖 2 所示。

這種移位、縮放、緩沖和過(guò)濾均通過(guò)信號(hào)調(diào)理電路來(lái)完成。該電路位于提供輸入信號(hào)的傳感器和 ADC 之間，可以由運(yùn)算放大器和無(wú)源元件等分立元件構(gòu)建，也可集成在 ADC 中。

根據(jù)應(yīng)用的不同，ADC 前端可能需要設(shè)計(jì)人員的投入來(lái)優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)緊湊、快速且精確的系統(tǒng)。下面我們將討論 X 射線應(yīng)用前端的優(yōu)化方法。

優(yōu)化 ADC 前端

X 射線信號(hào)通過(guò)一層閃爍體材料被轉(zhuǎn)換為可見(jiàn)光，然后再通過(guò)光電二極管轉(zhuǎn)換為非常小的電流（皮安至納安級(jí)別）。由于每個(gè)像素都由光電二極管陣列中的一個(gè)超小電流來(lái)表示，因此有大量超小電流需要被轉(zhuǎn)換為電壓、被縮放并緩沖，以驅(qū)動(dòng) ADC。那么，如何將這么多的小電流與參考電壓進(jìn)行比較？這就是高效信號(hào)調(diào)整的重要所在。

在 ADC 前端使用電阻

設(shè)計(jì)人員首先想到的可能是采用電阻并利用歐姆定律。這個(gè)基本電氣方程描述了電流 (IIN)、電壓 (V) 和電阻 (R) 之間的關(guān)系，如公式 (1) 所示：

圖 3 顯示了電路中的這種關(guān)系。注意，在光伏模式下，電流流動(dòng)的方向與箭頭所示相反，因此圖中的電壓 (V) 為負(fù)值。

將歐姆定律應(yīng)用于 X 射線應(yīng)用示例，如果滿量程信號(hào)為 1nA，并且 ADC 的 VREF?為 4.096V，則電阻應(yīng)為 4.096V / 1nA = 4.096GΩ。這意味著每個(gè)通道都需要一個(gè) 4.096GΩ 的電阻。

盡管理論上采用這種大小的電阻可以將電流轉(zhuǎn)換為輸出電壓，并可縮放用于 ADC ，但速度是它最大的問(wèn)題。設(shè)計(jì)人員應(yīng)考慮到，現(xiàn)實(shí)世界中的光電二極管有結(jié)電容，其電阻電容 (RC) 電路的時(shí)間常數(shù)（τ 或 tau）將相當(dāng)長(zhǎng)，其值可通過(guò)公式 (2) 計(jì)算得出：

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