测量初学者的介绍栏:不理解的人聚集〜13“关于数字测量仪器的动态范围”

在上一栏中，我解释了数字测量仪器的A/D转换。读者理解了吗?在本专栏中，我们将解释动态范围，这是数字测量仪器输入部分的性能之一，从上次开始。

什么是动态范围?

是指用测量器等，不受各种杂音的影响，能够得出正确的测量结果的范围。最大信号容差电平与噪声电平的比率，以dB表示。换句话说，它是用数字仪器对模拟信号进行采样时可以测量的电平范围。此数字越大，表示可以同时测量范围越广的信号。虽然名称“动态范围”的背景尚不清楚，但最初表达音频相关信号再现性的短语也被用于测量仪器领域据说是。此外，在诸如相机的图像区域中，该术语用作表示相机可以拍摄的光量范围的量。

与A/D分辨率的关系

上次记住专栏内容的读者可能会问“A/D分辨率和动态范围有关系吗?”。
如上一章所述，动态范围是“最小值和最大值之间的比率 (以dB为单位) ”。最小值和最大值之间的比率是A/D分辨率本身。
例如，如果A/D分辨率为16位，则最小值为20=1,最大值为216=65,536。动态范围是此比率的对数，因此可以使用以下方法:。

同样，当A/D分辨率为24位时，动态范围可计算如下:。

作者本人之前在两者之间的关系中含糊不清，但通过这种方式，如果A/D分辨率被认为是最小值和最大值之间的比率，并且对数显示被认为是动态范围，则更清晰。

接下来，实际测量仪器的动态范围的值是什么样的?
确认本公司FFT的动态范围标称值 (本公司主页上记载的值)，如下所示。

※对于140kHz输入单元
从该动态范围值来看，其值小于之前计算的理论A/D分辨率为24位时的动态范围值。
这是什么原因造成的呢?
本公司以FFT为首的数字计测器为电子计测器。内置有电路，使用计测器时，主体内部电路有电流通过。如果信号输入部及A/D转换部没有信号，则为0V (图1理想波形) 。然而，即使在没有信号输入的情况下，实际的电子测量仪器也具有自身的电噪声 (称为自噪声)，因此输出不是完全为零 (图1真实波形) 。因此，括号 (公式1) 和 (公式2) 中的分母值 (20=1) 实际上大于1,因此实际使用测量仪器时的动态范围小于计算值，如 (公式1) 和 (公式2) 。

以本公司为首的各计测器制造商为了降低自身噪音而努力开发，但现状是无法完全达到0V。因此，重新测量最小值和最大值 (图1实际波形暗色部分)，得到的比值即为上述标称值，与根据A/D分辨率计算得到的理论值不同。

人类听觉的动态范围

据说人类听觉关于声音大小的动态范围，即可以听到声音大小的范围约为120 dB。
让我们用声音大小 (声压) 来表示120 dB的动态范围。为了表示人类可听到的声压范围，假设最小值 (即人类可听到的最小声压) 为P0,最大值 (即人类可听到的最大声压) 为Pmax,产生以下关系式 (P0也称为最小可听值) 。

换句话说，人类听觉的动态范围是100万倍。
作为参考，图2显示了人类听觉动态范围与世界上常见噪音的比较。即使你看一下，你也可以看到人类听觉是一种出色的传感器，具有非常宽的动态范围。

作为数字测量仪器输入部分的基本功能的A/D转换和作为性能之一的动态范围已经在前两次和这两次解释。
希望您能通过本专栏了解每个单词的形象。
(摘自2022年11月16日发行的电子杂志)