翻譯自——allaboutcircuits，robert keim
動態範圍的概念經常出現在工程討論中。但是這個術語到底是什麼意思呢?它是如何應用於電子電路和系統的呢?
在工程領域，我們更強調精確度和清晰度。討論技術細節、數學關係和效能規範並不容易，我們可以通過仔細使用和徹底理解相關的術語，使任務更易於管理和生產。
靜態和動態範圍
據我所知，「靜態範圍」這個術語並不存在。但我們可以用它來澄清動態範圍的本質。
「範圍」是指兩個極限之間的變化區域。「靜態」來自乙個與站立或靜止有關的希臘動詞，因此，靜態範圍表示乙個可能變化的區域，在這個區域內，限制不受輸入或輸出現象在上限和下限之間主動和不可**移動的需要的限制。
「動態」本質上是「靜態」的反義詞——描述的是不斷移動和變化的事物。對於動態範圍，我們仍然有上限和下限，但這些上限適用於受輸入或輸出現象的連續變化約束的系統，它們捕獲了系統相對於反映相關訊號動態性質的執行條件的能力。
考慮到上述資訊，在電氣工程領域，動態範圍指定了乙個動態訊號在傳遞到給定系統或由給定系統產生時可以假定的可能值或可接受值的範圍。
典型例子——人的視覺
人類視覺系統對輸入量的變化具有顯著的能力。我們可以看到月光下池塘上泛起的漣漪，以及在地中海眩目陽光下閃閃發光的白帆。人眼敏感的亮度範圍跨度分為14個數量級:下限約為每平方公尺10-6個candelas (cd/m2)，上限約為108個cd/m2。
那這是否意味著人類視覺系統的動態範圍是1014?非也，因為上面提到的亮度範圍包括了錐細胞和桿狀細胞的靈敏度，而且這兩種生物光感受器不能同時工作(系統實際上需要相當長的時間從高亮度模式過渡到低亮度模式)。因此，這個範圍不適用於在上限和下限之間動態變化的輸入訊號，從而將系統限制在一組特定的執行條件下。
為了確定人類光線探測的動態範圍，我們需要評估我們在注視乙個場景時感知亮度範圍的能力。如果我們對動態範圍採用更嚴格的解釋，我們不允許改變瞳孔大小，因為這相當於通過增加或減少增益來改變上限或下限。
動態範圍的計算和表達
動態範圍實際上就是乙個比值:最大訊號級/最小訊號級。
電氣工程師傾向於用分貝來表示大比率(如運放的增益)，動態範圍也不例外。例如，如果乙個電壓監測系統的動態範圍為80db，則最大可檢測輸入電平要比最小可檢測輸入電平大10,000倍。
在光學系統中，動態範圍通常用停止來表示。它指的是兩個因素的增加或減少。如果數位相機動態範圍為8個鏡頭，那麼當最亮部分的亮度除以最暗部分的亮度小於等於256(=28)時，就可以很好地再現場景。
db值四捨五入到小數點後一位，停止值四捨五入到最近的第三個停止點。
電子系統中的動態範圍
以下提供了不同型別電路中動態範圍的例子。
數模轉換器
如果我們考慮輸出，動態範圍的adc是由解析度決定的。最小的非零輸出值為1，最大的輸出值為(2n-1)，其中n為生成的數字字的位元數。因此，14位adc的動態輸出範圍為(214-1)=16383。這也可以表示為84.3 db或14 stops。
輸入訊號的動態範圍就不那麼直接了，因為下限是由模擬波形中的雜訊量決定的，而雜訊會受到環境條件或adc之前的可變增益放大器的增益設定的影響。當參考電壓上限為2.5 v，雜訊地板為1 mv時，動態範圍為2.5/1×10-3≈68 db。
一種稱為無雜散動態範圍(sfdr)的特殊型別的動態範圍可以用來量化電路的線性度。
影象感測器
在ccd感測器中，光學檢測的上限是乙個畫素中可以儲存光產生的電子數，下限是與暗雜訊和讀雜訊相關的電子數。假設乙個畫素可以容納40000個電子。如果在乙個給定的**時間暗雜訊的畫素生成5電子和接收乙個額外的10個電子雜訊在讀出,動態範圍就是40000 / (5 + 10)= 68.5 db或大約11⅓停止。
混頻器(rf mixer)
混頻器可以進行頻率轉換，因此在射頻系統的設計中起著重要的作用。當混合器開始呈現不可接受的非線性時，輸入功率級稱為1db壓縮點。這對應於用於計算動態範圍的上限，而下限是混頻器的雜訊數字。
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