O que é faixa dinâmica? – Artigos Técnicos

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Um fenômeno interessante da linguagem é que geralmente entendemos palavras que não podemos definir. Isso faz parte de nossa faculdade lingüística natural e geralmente não causa problemas, principalmente em conversas comuns.

No mundo da engenharia, no entanto, colocamos maior ênfase na precisão e clareza. Discutir detalhes técnicos, relacionamentos matemáticos e especificações de desempenho nem sempre é fácil, e podemos tornar a tarefa mais gerenciável e produtiva se esforçando para empregar com cuidado e entender completamente a terminologia relevante.

Um termo que os engenheiros elétricos enfrentam regularmente e em uma variedade de contextos é “faixa dinâmica”. Antes de continuar lendo, reserve um minuto e tente formular uma definição precisa e abrangente. Na minha opinião, é surpreendentemente difícil! De qualquer forma, espero que, no final deste artigo, todos estejam prontos com uma explicação sólida quando alguém nos parar na rua e perguntar: “Ei, você poderia me dizer qual é o alcance dinâmico?”

Estático vs. Dinâmico

Até onde eu sei, o termo “intervalo estático” não existe. Mas vamos fingir que sim e usá-lo para esclarecer a natureza do alcance dinâmico.

“Intervalo” é definido como a região de variação entre dois limites. “Estático”, de um verbo grego relacionado a ficar parado ou imóvel, denota falta de movimento, ação ou mudança. Portanto, faixa estática sugere uma região de possível variação na qual os limites não são limitados pela necessidade de os fenômenos de entrada ou saída se moverem ativa e imprevisivelmente entre os limites superior e inferior.

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“Dinâmico” – basicamente o oposto de “estático” – descreve o que está continuamente se movendo e mudando. Com faixa dinâmica, ainda temos limites superior e inferior, mas esses limites se aplicam a sistemas que são limitados pela variação contínua dos fenômenos de entrada ou saída e capturam as capacidades do sistema em relação às condições operacionais que refletem a natureza dinâmica dos sinais relevantes .

Com as informações anteriores em mente, podemos dizer que A faixa dinâmica, no contexto da engenharia elétrica, especifica a faixa de valores possíveis ou aceitáveis ​​que um sinal dinâmico pode assumir quando entregue ou produzido por um determinado sistema.

Caso em questão: visão humana

Vamos considerar um exemplo. O sistema visual humano tem uma capacidade notável para variações na magnitude da entrada. Podemos ver ondas em um lago iluminado pela lua e uma vela branca brilhando sob o sol ofuscante do Mediterrâneo. A faixa de luminância à qual o olho humano é sensível quatorze ordens de magnitude: o limite inferior é de cerca de 10–6 candelas por metro quadrado (cd / m2) e o limite superior é de cerca de 108 cd / m2.

Isso significa que o sistema visual humano tem uma faixa dinâmica de 1014? Não, porque a faixa de luminância mencionada acima inclui a sensibilidade das células do cone e da haste, e esses dois fotorreceptores biológicos não fornecem operação simultânea (o sistema realmente precisa de uma quantidade significativa de tempo para passar do modo de alta luminância para o baixo) modo -luminância). Portanto, o alcance não se aplica aos sinais de entrada que são dinamicamente variando entre o limite superior e o limite inferior e, assim, restringindo o sistema a um determinado conjunto de condições operacionais.

Para determinar a faixa dinâmica de detecção de luz humana, precisamos avaliar nossa capacidade de perceber uma faixa de luminância enquanto observamos constantemente uma cena. Se aplicarmos uma interpretação mais rigorosa da faixa dinâmica, não permitiríamos alterações no tamanho da pupila, pois isso é análogo a mover o limite superior ou inferior aumentando ou diminuindo o ganho.

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Cálculo e expressão do intervalo dinâmico

Uma faixa dinâmica é realmente apenas uma proporção: você pega o nível máximo de sinal e o divide pelo nível mínimo de sinal.

Os engenheiros elétricos tendem a usar decibéis para expressar grandes proporções (como o ganho de um amplificador operacional), e a faixa dinâmica não é exceção. Se um sistema de monitoramento de tensão, por exemplo, possui uma faixa dinâmica de 80 dB, o nível máximo de entrada detectável é maior que o nível mínimo de entrada detectável por um fator de 10.000.

Em sistemas ópticos, a faixa dinâmica é frequentemente expressa em paradas. Uma parada é um aumento ou redução de dois fatores. Se dissermos que uma câmera digital tem um intervalo dinâmico de 8 pontos, pode reproduzir fielmente uma cena se a luminância da parte mais brilhante dividida pela luminância da parte mais escura for menor ou igual a 256 (= 28)

Os valores de dB são arredondados para uma casa decimal e os valores de parada são arredondados para a terceira parada mais próxima.

Faixa Dinâmica em Sistemas Eletrônicos

As subseções a seguir fornecem exemplos de faixa dinâmica em diferentes tipos de circuitos.

Conversores analógico-digital

Se estamos pensando em termos de saída, a faixa dinâmica de um ADC é determinada pela resolução. O menor valor de saída diferente de zero é 1 e o maior valor de saída é (2N–1), onde N é o número de bits na palavra digital gerada. Assim, um ADC de 14 bits possui uma faixa de saída dinâmica de (214–1) = 16383. Isso também pode ser expresso em 84,3 dB ou 14 pontos.

A faixa dinâmica do sinal de entrada é menos direta, porque o limite inferior é determinado pela quantidade de ruído na forma de onda analógica, que pode ser influenciada pelas condições ambientais ou pela configuração de ganho de um amplificador de ganho variável que precede o ADC. Se a tensão de referência impuser um limite superior de 2,5 V e o piso de ruído for de 1 mV, a faixa dinâmica será de 2,5 / 1 × 10-3 68 dB.

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Você pode ler muito mais sobre o intervalo dinâmico ADC nos seguintes artigos:

Um tipo especializado de faixa dinâmica chamada faixa dinâmica livre de espúria (SFDR) pode ser usado para quantificar a linearidade de um circuito.

Sensores de imagem

Em um sensor CCD, o limite superior na detecção óptica é o número de elétrons gerados pela luz que podem ser armazenados em um pixel, e o limite inferior é o número de elétrons associados ao ruído escuro e ao ruído de leitura. Digamos que um pixel possa conter 40.000 elétrons. Se em um determinado período de exposição o pixel gera 5 elétrons de ruído escuro e recebe 10 elétrons de ruído adicionais durante a leitura, a faixa dinâmica é de 40.000 / (5 + 10) = 68,5 dB ou cerca de 11⅓ pontos.

Misturadores de RF

Os mixers realizam a conversão de frequência e, portanto, desempenham um papel fundamental no projeto de sistemas de radiofrequência. O nível de potência de entrada no qual o mixer começa a exibir não linearidade inaceitável é chamado ponto de compressão de 1 dB. Isso corresponde ao limite superior usado no cálculo da faixa dinâmica, e o limite inferior é o valor do ruído do misturador.

Conclusão

Este artigo foi mais difícil de escrever do que eu esperava. Espero ter feito o suficiente para realmente capturar a essência e as sutilezas da faixa dinâmica no que se refere à engenharia elétrica, e se você tiver alguma ideia a acrescentar, fique à vontade para compartilhá-las na seção de comentários.

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