다이나믹 레인지가 정확히 무엇인가요?

다이나믹 레인지가 정확히 무엇인가요?

다이나믹 레인지의 개념은 종종 엔지니어링 토론에서 나타납니다.그러나 이 용어는 정확히 무엇을 의미합니까?전자 회로 및 시스템에 어떻게 적용됩니까?

엔지니어링 분야에서는 정확성과 명확성에 더 중점을 둡니다.기술적 세부 사항, 수학적 관계 및 성능 사양을 논의하는 것은 쉽지 않습니다.관련 용어에 대한 세심한 사용과 철저한 이해를 통해 작업을 보다 쉽게 ​​관리하고 생성할 수 있습니다.

전기 엔지니어가 자주 접하는 용어인 "다이내믹 레인지".계속 읽기 전에 정확하고 포괄적인 정의를 내리기 위해 잠시 시간을 보내십시오.어려울 수 있습니다. 다음 기사가 이 정의를 이해하는 데 도움이 되기를 바랍니다.

정적 및 동적 범위

내가 아는 한 "정적 범위"라는 용어는 존재하지 않습니다.그러나 다이나믹 레인지의 특성을 명확히 하는 데 사용할 수 있습니다.

"범위"는 두 한계 사이의 변화 영역을 나타냅니다. "정적"은 서 있거나 정지해 있는 것과 관련된 그리스어 동사에서 유래했습니다.따라서 정적 범위는 상한과 하한 사이에서 입력 또는 출력 현상의 능동적이고 예측할 수 없는 움직임의 필요성에 의해 제한이 영향을 받지 않는 가능한 변경 영역을 나타냅니다.

"동적"은 본질적으로 "정적"의 반대입니다. 즉 끊임없이 움직이고 변화하는 것을 설명합니다. 동적 범위의 경우 여전히 상한과 하한이 있지만 이러한 상한은 입력 또는 출력 현상이 지속적으로 변경되는 시스템에 적용됩니다. 관련 신호의 동적 특성을 반영하는 작동 조건과 관련된 시스템의 능력을 포착합니다.

위의 정보를 고려하여 전기 공학 분야에서 동적 범위는 동적 신호가 지정된 시스템에 전달되거나 생성될 때 가정할 수 있는 가능한 또는 허용 가능한 값의 범위를 지정합니다.

전형적인 예 - 인간의 시각

인간의 시각 시스템은 입력량을 변화시키는 놀라운 능력을 가지고 있습니다. 우리는 달빛에 연못의 잔물결을 볼 수 있고, 눈부신 지중해의 태양에 빛나는 하얀 돛을 볼 수 있습니다. 인간의 눈이 민감한 밝기 범위는 나뉩니다. 크기의 14차로: 하한은 제곱미터당 약 10-6칸델라(cd/m2)이고 상한은 약 108cd/m2입니다.

이것은 인간 시각 시스템의 다이내믹 레인지가 1014라는 것을 의미합니까?아니요, 위에서 언급한 밝기 범위에는 원추 세포와 간상 세포의 감도가 포함되며 이 두 생물학적 광수용기는 동시에 작동할 수 없기 때문에(시스템이 실제로 필요로 하는 것은 고휘도 모드에서 저밝기로 전환하는 데 오랜 시간이 걸립니다 모드). 따라서 이 범위는 상한과 하한 사이에서 동적으로 변경되는 입력 신호에 적합하지 않아 시스템을 특정 작동 조건 세트로 제한합니다.

인간의 빛 감지의 동적 범위를 결정하려면 장면을 볼 때 밝기 범위를 인식하는 능력을 평가해야 합니다. 동적 범위에 대한 더 엄격한 해석을 채택하면 동공 크기를 변경할 수 없습니다. , 이것은 게인을 높이거나 낮추어 상한 또는 하한을 변경하는 것과 동일하기 때문입니다.

다이나믹 레인지의 계산 및 표현

동적 범위는 실제로 최대 신호 레벨/최소 신호 레벨의 비율입니다.

전기 엔지니어는 데시벨을 사용하여 큰 비율(예: 연산 증폭기의 이득)을 표현하는 경향이 있으며 동적 범위도 예외는 아닙니다. 예를 들어 전압 모니터링 시스템의 동적 범위가 80db인 경우 감지 가능한 최대 입력 레벨은 10,000입니다. 감지 가능한 최소 입력 레벨보다 몇 배 더 큽니다.

광학 시스템에서 다이내믹 레인지는 일반적으로 스톱으로 표현됩니다. 두 가지 요인의 증가 또는 감소를 나타냅니다.디지털 카메라의 다이내믹 레인지가 8렌즈라면 가장 밝은 부분의 밝기를 가장 어두운 부분의 밝기로 나눈 값이 256(=28) 이하일 때 장면을 잘 재현할 수 있습니다.

dB 값은 소수점 이하 한 자리까지 반올림되고 정지 값은 가장 가까운 세 번째 정지 지점으로 반올림됩니다.

전자 시스템의 다이내믹 레인지

다음은 다양한 유형의 회로에서 동적 범위의 예를 제공합니다.

디지털-아날로그 변환기

출력을 고려하면 ADC의 동적 범위는 분해능에 의해 결정됩니다. 0이 아닌 가장 작은 출력 값은 1이고 가장 큰 출력 값은 (2N-1)입니다. 여기서 N은 생성된 비트 수입니다. 따라서 14비트 ADC의 동적 출력 범위는 (214-1)=16383입니다.이것은 또한 84.3dB 또는 14스탑으로 표현될 수 있습니다.

하한은 아날로그 파형의 노이즈 양에 의해 결정되고 노이즈는 ADC 이전의 가변 이득 증폭기의 이득 설정이나 환경 조건의 영향을 받기 때문에 입력 신호의 동적 범위는 그렇게 간단하지 않습니다. 기준 전압의 상한은 2.5V이고 노이즈 플로어는 1mV이며 동적 범위는 2.5/1×10-3≈68dB입니다.

SFDR(spurious-free dynamic range)이라는 특수한 유형의 동적 범위를 사용하여 회로의 선형성을 정량화할 수 있습니다.

이미지 센서

CCD 센서에서 광학 검출의 상한은 픽셀에 저장할 수 있는 전자의 수이고 하한은 다크 노이즈 및 읽기 노이즈와 관련된 전자의 수입니다. 픽셀이 40,000개의 전자를 보유할 수 있다고 가정합니다.다크 노이즈 픽셀이 주어진 노출 시간에 5개의 전자를 생성하고 판독에서 추가로 10개의 전자를 수신하는 경우 동적 범위는 40000 / (5 + 10) = 68.5dB 또는 약 11스탑입니다.

RF 믹서

믹서는 주파수 변환을 수행할 수 있으므로 무선 주파수 시스템 설계에서 중요한 역할을 합니다. 믹서가 허용할 수 없는 비선형성을 나타내기 시작하면 입력 전력 수준을 1db 압축 지점이라고 합니다.이것은 동적 범위를 계산하는 데 사용되는 상한에 해당하고 하한은 믹서의 노이즈 지수입니다.