e2v technologies
Ultraschnelle A/D-Wandler für die Wissenschaft
Fortsetzung des Artikels von Teil 3
Einsatz bei LiDAR, Ultraschall und optischer Mammografie
LiDAR-Systeme (Light detection and ranging) bestehen aus einem Laser, der Licht über den gewünschten interessierenden Bereich hinweg übertragen kann, und einem rauscharmen Hochleistungsempfänger für die Analyse von reflektierten Signalen. Die Entfernung des reflektierenden Objekts lässt sich mithilfe einer TOF-Analyse bestimmen, modernere Systeme verwenden jedoch Radar-Verarbeitungstechniken. Die Systeme kommen bei der industriellen Entfernungsmessung und in Kollisionsschutzanlagen in der Luftfahrt zum Einsatz.
Die bei dieser Technik verwendeten ADCs müssen eine hohe Abtastrate und hohe Bandbreite bieten, um Verzerrungen des zurückgesendeten Impulses zu vermeiden. Durch die höhere Abtastrate verbessert sich die Fähigkeit, die Entfernung genauer zu bestimmen, und da die modernen Systeme mit Radarverarbeitung arbeiten, ist der SFDR (störungsfreier dynamischer Bereich) von Bedeutung, weil Harmonische als schwache Reflektoren wirken könnten. Die Anwendung erfordert eine Auflösung von 10 Bit oder höher.
Obwohl medizinische Ultraschallgeräte mit relativ niedrigen Frequenzen arbeiten, wird die Bildgebung von Zellen mit höheren Frequenzen in der Größenordnung von 500 MHz durchgeführt, sodass Datenwandler mit einer hohen Abtastrate vonnöten sind. Ultraschall auf ultrahohen Frequenzen (100 MHz bis 500 MHz) kommt bei akustischen Mikroskopen, die zur Überprüfung von MEMS-Wafern nach der Verklebung verwendet werden, und beim Halbleiter-Packaging zum Einsatz. Höhere Ultraschallfrequenzen kommen auch für zerstörungsfreie Prüfungen infrage. Zu den Anwendungen zählen die Überwachung der Schallgeschwindigkeit von Spezialgläsern und Hochleistungskeramiken. Die Technik kann Informationen über mechanische Eigenschaften wie thermische Koeffizienten liefern.
Systeme für die Brustkrebserkennung verwenden aneinandergereihte Fotodetektoren, sodass die hohe Geschwindigkeit von ADCs und eine präzise Synchronisierung unerlässlich sind. Um die Daten für die optische Mammografie zu erfassen, kommen Modulationstechniken und die zeitkorrelierte Einzelphotonenzählung zum Einsatz. Die zeitkorrelierte Einzelphotonenzählung (TCSPC) bietet den Vorteil einer höheren Systembandbreite, die eher durch die Streuung der Signallaufzeit des Detektors als durch die Breite seiner Impulsantwort begrenzt wird.
Mit Quad-ADCs die Performance steigern
Die internen Kalibrierungsfunktionen können auch im Standard-Vierkanalmodus verwendet werden. Dadurch lassen sich Offset, Verstärkung und Phase für Systemeinstellungen wie die Kanalabstimmung bezüglich Offset und Verstärkung sowie für die Phasenverzögerung jedes Eingangs einstellen.
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In einer Reihe von Anwendungen einschließlich Radar oder Ultraschallerkennung kommen Mehrfeldsysteme zum Einsatz. In diesen Anwendungen ist oft die Phase jedes Element des Feldes relativ zu anderen Elementen abzugleichen, wie zum Beispiel bei Richtantennen. Hier kann man die Phasenabgleichfunktion der Quad-ADCs von e2v nutzen, um diese Funktion bereitzustellen. Bild 6 zeigt die Anwendung einer Strahlerwand mit der fein abgestimmten Phaseneinstellung, die durch die interne Einstellungsfunktion des A/D-Wandlers ermöglicht wird. In einem solchen Feld ist es wichtig, dass alle ADCs ordnungsgemäß synchronisiert sind. Dies vereinfacht die Nachverarbeitung in Systemen mit mehreren Datenwandlern. Ein konsistentes Synchronisierungsverfahren als Bestandteil der Zeitsteuerung der ADCs ist für diese Art System unerlässlich.
Quad-ADCs bieten erhebliche Vorteile für wissenschaftliche Anwendungen, bei denen sich die Abtastrate auf Kosten der Anzahl von Eingangskanälen in Mehrfeldanwendungen wie Radar und Ultraschall verändern lässt. Bei solchen Anwendungen müssen oft Signale mit möglichst großer Bandbreite abgetastet werden, bei Bedarf muss jedoch auch die Möglichkeit bestehen, die Anzahl von Kanälen zu erhöhen.
Bei bestimmten wissenschaftlichen Messverfahren, zum Beispiel der Impulshöhenspektroskopie (Pulse Hight Spectroscopy), ist eine höhere Auflösung für kleinere Signale von Vorteil. Kommen Quad-ADCs mit einer Reihe von Eingangsverstärkern (Bild 7) zum Einsatz, lassen sich kleinere Impulse mit höherer Auflösung und höherer Dynamik erfassen. Die Auswahl des ADC-Ausgangs kann anhand des Out-of-Range-Bits vom ADC oder durch Postprocessing der Daten erfolgen. Für Impulsaufzeichnungssysteme eignet sich außerdem die Phasenmodulation, um INL/DNL-Effekte zu reduzieren.
Ein weiteres wichtiges Merkmal der Quad-ADCs ist ihre Reprogrammierbarkeit. Dies ist insbesondere bei wiederholt getriggerten oder gepulsten Experimenten von Nutzen. Ein Zoom in der Zeitdomäne ist möglich, indem der ADC für den Betrieb mit einer höheren Abtastrate umprogrammiert wird und so eine höhere zeitliche Präzision bietet. Zu den weiteren besonderen Anforderungen von Anwendungen in der wissenschaftlichen Messtechnik zählt eine niedrige Bitfehlerrate (BER).
- Ultraschnelle A/D-Wandler für die Wissenschaft
- Schnelle A/D-Wandler in der Teilchenphysik
- Schnelle A/D-Wandler in der Massenspektrometrie und der Radioastronomie
- Einsatz bei LiDAR, Ultraschall und optischer Mammografie
- Erweiterung des Dynamikbereichs der A/D-Wandler
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