Schnelle D/A-Wandlung verbessert die Bildqualität: Signalkette für Röntgen & Co.

Digitale Röntgengeräte und Kernspintomografen benötigen kleine und leistungsfähige Datenerfassungssysteme mit geringer Stromaufnahme, um die hohen Anforderungen von Ärzten und Patienten zu erfüllen. Eine hier vorgestellte, hochgenaue Signalkette kann mit hohem Durchsatz, geringem Rauschen, hoher Linearität, geringem Energieverbrauch und kleiner Baugröße punkten und eignet sich so für mehrkanalige Systeme, die einen weiten Dynamikbereich und große Bandbreite verlangen.

Seit ihrer Entdeckung im Jahr 1895 finden Röntgenstrahlen Anwendung in der medizinischen Diagnostik auf Gebieten wie Onkologie, Orthopädie, Zahnmedizin oder Tiermedizin. Das Digitalröntgen ersetzt die traditionellen fotografischen Filme oder Szintillationsbildschirme durch Halbleitersensoren einschließlich Flat-Panel- und Zeilenscanner-Detektoren.

Bild 1: Typische Signalkette eines digitalen Röntgengeräts Analog DevicesBild 1: Typische Signalkette eines digitalen Röntgengeräts

Flat-Panel-Detektoren arbeiten mit zwei Wandeltechniken: Bei der direkten Wandlung bildet ein Selen-Array kapazitive Elemente, welche die hochfrequenten Röntgenstrahlphotonen in einen elektrischen Strom wandeln. Bei der indirekten Wandlung verschiebt ein Szintillator aus Cäsiumjodid die Röntgenstrahlphotonen zunächst in den Bereich sichtbaren Lichts, das ein Silizium-Fotodiodenarray anschließend in einen elektrischen Strom umwandelt. Jede Fotodiode repräsentiert dabei ein Pixel. Eine rauscharme analoge Eingangsstufe transformiert den niedrigen Strom jedes Pixels in eine hohe Spannung, die dann für die Weiterverarbeitung mit Bildprozessoren in digitale Daten gewandelt wird. Ein typisches Digitalröntgensystem (Bild 1) speist die Signale mehrerer Kanäle per Multiplexing und ohne Beeinträchtigung der Genauigkeit in einen A/D-Wandler (ADC) ein.

Heute nutzen die Hersteller digitaler Röntgendetektoren meist die indirekte Wandlung. Flat-Panel-Detektoren auf Basis von amorphem Silizium oder Fotodiodenarrays mit über 1 Mio. Pixel erfassen die Photonenenergie und speisen die Ausgangssignale über einen Multiplexer in ein oder zwei Dutzend ADCs. Diese Technik ermöglicht eine effiziente Absorption der Röntgenstrahlphotonen und ein hohes Signal/Rausch-Verhältnis und liefert so mit der halben Strahlendosis der traditionellen Technik dynamische, hochauflösende Bilder in Echtzeit. Dabei ist die Abtastrate eines jeden Pixels niedrig, sie reicht von einigen Hertz für Knochen und Zähne bis zu einem Maximum von 120 Hz beim Röntgen des Herzen eines Babys als schnellstem Organ im menschlichen Körper.

Gradienten präzise steuern

Bild 2: Im Kernspintomograf moduliert eine Gradientenspule das starke Hauptmagnetfeld Analog DevicesBild 2: Im Kernspintomograf moduliert eine Gradientenspule das starke Hauptmagnetfeld

Die Leistungsfähigkeit eines digitalen Röntgengeräts ergibt sich aus der Bildqualität. Vorausgesetzt, die Röntgenstrahlung wird präzise erfasst und verarbeitet, kann die digitale Röntgentechnik aufgrund des erhöhten Dynamikbereichs, der hohen Erfassungsgeschwindigkeit und Bildfrequenz sowie spezieller Bildverarbeitungstechniken optimierte Bilder liefern, mit denen Mediziner möglichst genaue Diagnosen erstellen können. Außerdem sollen die Patienten nur über eine möglichst kurze Zeit der Röntgenstrahlung ausgesetzt werden. High-End-Röntgensysteme (dynamische Erfassung) werden normalerweise in Chirurgiezentren und Operationssälen eingesetzt, Basissysteme findet man hingegen in Notaufnahmen, in kleinen Krankenhäusern oder in Arztpraxen.

Kernspintomografen (Bild 2) eignen sich am besten für Abbildungen des Gehirns oder für orthopädische, angiografische und Gefäßstudien, da sie Gewebe mit hohem Kontrast darstellen können, ohne es ionisierender Strahlung auszusetzen. Kernspintomografen arbeiten im HF-Frequenzband von 1 MHz bis 100 MHz, während Computertomografen und digitale Röntgengeräte mit ionisierender Strahlung mit Frequenzen von 1016 Hz bis 1018 Hz arbeiten, die Patientengewebe schädigen kann. Steuerungssysteme für die Kernspintomografie verlangen niedrige Toleranzen, wie sie sich nur mit leistungsstarken Bauteilen erreichen lassen. In Kernspintomografen kommt eine große Spule zum Einsatz, um das Hauptmagnetfeld – 1,5 T bis 3 T – aufzubauen.

Eine hohe Spannung von bis zu 1000 V wird an die Spule angelegt, um den erforderlichen Strom (bis zu 1000 A) zu erzeugen. Solche Systeme nutzen eine Gradientensteuerung zur linearen Änderung des Hauptmagnetfelds.

Bild 3: Eine präzise, schnell einschwingende Signalkette mit 18-Bit-A/D-Wandler, Spannungsreferenz, Puffern und ADC-Treiber Analog DevicesBild 3: Eine präzise, schnell einschwingende Signalkette mit 18-Bit-A/D-Wandler, Spannungsreferenz, Puffern und ADC-Treiber

Dazu wird der Strom in bestimmten Gradientenspulen schnell und präzise moduliert, wodurch sich das Hauptmagnetfeld ändert. So lassen sich sehr kleine Bereiche im menschlichen Körper darstellen. Die Gradientensteuerung regt einen dünnen Querschnitt des Körpergewebes mit Hilfe von HF-Energie an, um die Bilder der x-, y- und z-Achsen zu erzeugen. Die Kernspintomografie verlangt kurze Reaktionszeiten mit innerhalb von 1 mA (1 ppm) genau gesteuerten Gradienten. Hersteller solcher Systeme können den Gradienten entweder im analogen oder im digitalen Bereich steuern. Die Entwicklung von Kernspintomografen verlangt viel Zeit, verursacht hohe Bauteilekosten und bringt aufgrund der hohen Hard- und Softwarekomplexität große Risiken mit sich.

 

 

 

Bild 4a: Typische FFT- und Linearitätsverläufe des A/D-Wandlers »AD7960« Analog DevicesBild 4a: Typische FFT- und Linearitätsverläufe des A/D-Wandlers »AD7960«

Um die geforderte hohe Präzision liefern zu können, muss die Datenerfassungssignalkette im Gerät hoch genau und rauscharm arbeiten. Eine solche Signalkette mit 18 Bit, ±0,8 LSB INL, ±0,5 LSB DNL und 99 dB Signal/Rausch-Verhältnis (SNR) zeigt Bild 3.

Ihr typisches FFT- und Linearitätsverhalten mit einer 5-V-Referenz ist in Bild 4 a und b zu sehen. Die Signalkette nimmt etwa 345 mW auf und benötigt damit laut Hersteller Analog Devices 50% weniger Energie als Wettbewerbsprodukte.

Dieser Typ eines schnellen, mehrkanaligen Datenerfassungssystems ließe sich in CTs, digitalen Röntgengeräten und anderen bildgebenden Geräten für die Medizin einsetzen, die höhere Abtastraten ohne Beeinträchtigung der Genauigkeit benötigen.

Bild 4b: Typische FFT- und Linearitätsverläufe des A/D-Wandlers »AD7960« Analog DevicesBild 4b: Typische FFT- und Linearitätsverläufe des A/D-Wandlers »AD7960«

Die 18 Bit Linearität der Signalkette und ihr geringes Rauschen verbessern die Bildqualität. Ferner gestattet die Durchsatzrate von 5 MSample/s kürzere Scanning-Perioden (mehr Bilder pro Sekunde). Somit lassen sich genaue Diagnosen erstellen, wobei Patienten geringeren Strahlendosen ausgesetzt sind.

Durch Multiplexing mehrerer Kanäle lassen sich Bilder mit höherer Auflösung erzeugen und Organe wie zum Beispiel das menschliche Herz komplett analysieren. In Computertomografen wird der Pixelstrom mit Hilfe eines Track-&-Hold-Verstärkers pro Kanal kontinuierlich erfasst, dessen Ausgangssignale im Multiplex-Verfahren an einen schnellen ADC gehen. Je höher die Durchsatzrate, desto mehr Pixel lassen sich in diesem Verfahren an einen einzigen ADC schicken – und so Kosten, Platz und Energie sparen.

Präzise Signalkette

Hohe Durchsatzraten sind auch beim sogenannten »Oversampling« (Überabtastung) gefragt, bei dem das Eingangssignal mit einer höheren Abtastrate als die Nyquist-Frequenz gewandelt wird. Oversampling kommt in den Bereichen Spektroskopie und Kernspintomografie, in der Gas-Chromatografie sowie in der Blutanalyse und anderen medizinischen Instrumenten zum Einsatz, die einen großen Dynamikbereich verlangen, um kleine und große Signale aus mehreren Kanälen genau zu überwachen und zu messen. Eigenschaften wie hohe Auflösung und Genauigkeit, niedriges Rauschen, kurze Refresh-Raten und geringe Ausgangsdrift können die Entwicklung wesentlich vereinfachen, die Entwicklungskosten senken und die Risiken bei der Entwicklung von Kernspintomografen reduzieren.

Sehr wichtige Anforderungen bei Kernspintomografen sind die Wiederholbarkeit der Messungen und die Langzeitstabilität. Für eine optimale Bildqualität verlangen diese Systeme auch eine hohe Linearität und einen großen Dynamikbereich von DC bis zu einigen zehn Kilohertz. Als Richtlinie gilt, dass eine Überabtastung des A/D-Wandlers um den Faktor vier ein zusätzliches Bit an Auflösung oder einen 6 dB größeren Dynamikbereich ergibt. Die Erhöhung des Dynamikbereichs in Folge der Überabtastungsrate OSR ist ΔDR = log2 OSR × 3 dB. In vielen Fällen ist Oversampling gut in Sigma/Delta-A/D-Wandlern implementiert. Doch beim schnellen Umschalten zwischen Kanälen und wenn genaue DC-Messungen gebraucht werden, weisen diese Einschränkungen auf. Überabtastung mit einem SAR-A/D-Wandler verbessert auch das Antialiasing und reduziert das Rauschen.

SAR-Wandler mit Oversampling

Bild 5: Im Blockdiagramm des »AD7960« ist der kapazitive D/A-Wandler (CAPDAC) zu erkennen, der für gute Rausch- und Linearitätswerte bei geringer Latenz sorgt Analog DevicesBild 5: Im Blockdiagramm des »AD7960« ist der kapazitive D/A-Wandler (CAPDAC) zu erkennen, der für gute Rausch- und Linearitätswerte bei geringer Latenz sorgt

Schnelle Präzisions-Datenerfassungssysteme, die in Computertomografen, beim digitalen Röntgen und in anderen mehrkanaligen Anwendungen – oder in der Spektroskopie, in Kernspintomografen und anderen Anwendungen mit Überabtastung – zum Einsatz kommen, benötigen moderne A/D-Wandler. Der 5 MSample/s schnelle differenzielle 18-Bit-Baustein »AD7960« aus der »PulSAR«-Familie (Bild 5) nutzt einen kapazitiven Digital/Analog-Wandler (CAPDAC), um sehr gute Rausch- und Linearitätswerte ohne Latenz oder Pipeline-Verzögerungen zu erreichen. Mit seiner großen Bandbreite, hoher Genauigkeit (100 dB Dynamikbereich) und schnellem Sampling (200 ns) eignet sich das Bauteil für medizinische Imaging-Anwendungen. Außerdem reduziert es den Energieverbrauch und die Kosten von mehrkanaligen Applikationen. Verfügbar im 5 mm × 5 mm großen, einfach handhabbaren 32 poligen LFCSP-Gehäuse ist der AD7960 über den industriellen Temperaturbereich (-40 °C bis +85 °C) spezifiziert. Wenn 16 Bit Auflösung ausreichen, lässt sich auch der anschlusskompatible 16-Bit-Wandler »AD7961« einsetzen.

Bild 6: Vereinfachtes Blockschaltbild des Wandlers mit dem internen Kondensator-Array Analog DevicesBild 6: Vereinfachtes Blockschaltbild des Wandlers mit dem internen Kondensator-Array

Wie Bild 6 zeigt, besteht der kapazitive D/A-Wandler im AD7960 aus einem differenziellen, binärgewichteten 18-Bit-Kondensator-Array (das auch als Abtastkondensator für das Erfassen des analogen Eingangssignals dient), einem Komparator und der Steuerlogik. Sobald die Erfassungsphase abgeschlossen ist, geht der Eingang »CNV+/-« (Conver-sion Control) in den Logikzustand »High«, die differentielle Spannung zwischen den Eingängen »IN+« und »IN−« wird im Kondensator-Array gespeichert, und die Wandlungsphase beginnt. Jetzt schaltet die Steuerung des ADCs jedes Element des Kondensator-Arrays sukzessiv zwischen »GND« und »REF« um (wodurch sich die Ladung neu verteilt), vergleicht den Eingang mit dem DAC-Wert, und lässt das Bit je nach Ergebnis gesetzt oder nicht. Zum Abschluss dieses Prozesses erzeugt die Steuerlogik den ADC-Ausgangscode, und der AD7960 kehrt etwa 100 ns nach dem Beginn der Wandlung in den Erfassungsmodus zurück. Weil die Erfassungszeit etwa 50% der gesamten Zykluszeit beträgt, reduzieren sich die Anforderungen an den Treiber.

Bild 7: Leistungsaufnahme des »AD7960« in Abhängigkeit von der Durchsatzrate Analog DevicesBild 7: Leistungsaufnahme des »AD7960« in Abhängigkeit von der Durchsatzrate

Die Serie AD7960 arbeitet an Versorgungsspannungen von 1,8 V und 5 V und nimmt bei 5 MSample/s in der selbstgetakteten Betriebsart nur 39 mW auf. Dabei verhält sich der Energieverbrauch linear zur Abtastrate (Bild 7). Bei sehr niedrigen Abtastraten wird die Leistungsaufnahme vom statischen Stromverbrauch der LVDS-Schnittstelle dominiert. Laut Analog Devices ist der AD7960 doppelt so schnell wie der zweitschnellste 18-Bit-SAR-ADC auf dem Markt, verbraucht 70% weniger Energie und beansprucht 50% weniger Platz auf der Leiterplatte.

Der Wandler ermöglicht drei externe Referenzoptionen: 2,048 V, 4,096 V und 5 V. Ein auf dem Chip integrierter Puffer verdoppelt die Referenzspannung von 2,048 V, damit beziehen sich die Wandlungen auf 4,096 V oder 5 V.

 

Bild 8: Dynamikbereich des A/D-Wandlers über der Ausgangsdatenrate Analog DevicesBild 8: Dynamikbereich des A/D-Wandlers über der Ausgangsdatenrate

Mit selbstgetakteten und »Echoed«-Takt-Betriebsarten ermöglicht die digitale LVDS-Schnittstelle schnelle Datentransfers (bis zu 300 MHz) zwischen dem ADC und dem Host-Prozessor. Zudem reduziert sie die Zahl der digitalen Signale und vereinfacht die Signalführung, da sich mehrere Bauteile ein gemeinsames Taktsignal teilen können.

Dies senkt wiederum den Energieverbrauch, was speziell in Multiplexer-Anwendungen nützlich ist. Die selbstgetaktete Betriebsart vereinfacht die Schnittstelle zum Host-Prozessor und erlaubt ein einfaches Timing mit einem Header, der die Daten aus jeder Wandlung synchronisiert. Ein Header ist erforderlich, damit der Host den Datenausgang abtasten kann – denn es gibt keinen zu den Daten synchronen Taktausgang. Die »Echoed«-Takt-Betriebsart sorgt für robustes Timing zum Preis eines zusätzlichen differenziellen Paares. Bei Ausgangsdatenraten von unter 20 kSample/s erzielt der AD7960 einen typischen Dynamikbereich von über 120 dB (Bild 8).

Treiber gesucht

Die Erfassungszeit des A/D-Wandlers bestimmt die Einschwingzeit für den ADC-Treiber. Tabelle 1 zeigt einige Spezifikationen, die bei der Wahl eines ADC-Treibers zu beachten sind.

ADC-Treiber-SpezifikationGrundformelMinimale Anforderungen
Bandbreite (f-3dB_amp) N ∗ ln(2)/(π ∗ tacq) 40 MHz
Slew Rate Single-ended-Eingangsspanung/(tacq/2) 100 V/µs
Einschwingzeit Aus Datenblatt 100 ns
Signal/Rauschverhältnis (SNR) 10∗log(Vrms_in2/√[2∗(en_amp)2 ∗ f-3dB_ADC ∗ π/2]2) 105,5 dB
Tabelle 1: Wichtige Kriterien bei der Wahl eines ADC-Treibers für den AD7960 (N = 18, tacq = 100 ns, Vrms_in² = (5 V)²/2 = 12,5 V², en_amp = 2 nV/√Hz, f-3dB_ADC = 28 MHz)

Bild 9: Spannungsrauschspektrum des Rail-to-Rail-Verstärkers »ADA4899« Analog DevicesBild 9: Spannungsrauschspektrum des Rail-to-Rail-Verstärkers »ADA4899«

Wie immer sollte die Leistungsfähigkeit der Signalkette im Labor verifiziert werden, um sicherzustellen, dass die gewünschte Leistungsfähigkeit erreichbar ist. Datenblätter für Operationsverstärker geben normalerweise die Einschwingzeit als Kombination der Zeit für lineares Einschwingen und Ansteigen an. Die angegebenen Formeln sind Näherungen erster Ordnung. Sie gehen von 50% für lineares Einschwingen und 50% für den Anstieg (Multiplexer-Applikation) aus. Angenommen wird ein massebezogener Eingang mit 5 V.

In unserer Signalkette bietet der Rail-to-Rail-Verstärker »ADA4899-1« eine Bandbreite von 600 MHz, eine Verzerrung von -117 dBc bei 1 MHz und eine Rauschzahl von 1 nV/√Hz (Bild 9). Er schwingt in 50 ns auf 0,1% genau ein, sofern er als Puffer mit Verstärkungsfaktor Eins (Unity-Gain-Buffer) konfiguriert ist, der die Eingänge des AD7960 mit einem differenziellen Signal von 5 V treibt.

Referenz und Puffer

Der rauscharme Rail-to-Rail-Verstärker »AD8031« mit geringer Stromaufnahme puffert den 5-V-Ausgang der Spannungsreferenz »ADR4550«. Diese bietet eine hohe Genauigkeit (±0,02% max. Anfangsfehler), eine geringe Drift (2 ppm/K max.), niedriges Rauschen (1 μV Spitze-Spitze) und geringe Stromaufnahme (950 μA max.). Ein zweiter AD8031 puffert die 2,5-V-Gleichtaktausgangsspannung des ADCs. Seine niedrige Ausgangsimpedanz sorgt unabhängig von der ADC-Eingangsspannung für eine stabile Referenzspannung, um die INL (integrale Nichtlinearität) zu minimieren. Stabil bei großen kapazitiven Lasten kann der AD8031 die Entkopplungskondensatoren treiben, die erforderlich sind, um durch Stromtransienten verursachte Spannungsspitzen zu minimieren. Das Bauteil eignet sich für zahlreiche Anwendungen von batteriegespeisten Systemen mit hoher Bandbreite bis hin zu schnellen, dicht gepackten Systemen mit geringem Energieverbrauch.

Über den Autor:

Maithil Pachchigar ist Applikationsingenieur in der Precision Converters Business Unit von Analog Devices.