一、动态范围的定义
数据采集卡的动态范围是指其能够同时准确测量和分辨的最大信号与最小信号之间的比值。
最大信号：通常是指在不发生畸变（削波）的情况下，采集卡能测量的满量程输入信号。这由量程来决定，例如±10V量程。
最小信号：指能够被有效识别到、并区别于本底噪声的最小信号幅度。这个信号必须要比系统的噪声电平大得多才具有实际意义。
表示方式：动态范围通常用分贝（dB） 来表示，
其计算公式为：
动态范围 (dB) = 20 * log10 (最大信号电压 / 本底噪声电压)
举例：如果一个采集卡的最大输入电压是10V，而其本底噪声电压为10μV (0.00001V)，那么它的动态范围就是：
20*log10(10/0.00001)=20*log10(1,000,000)=20*6=120dB
二、相关的影响因素
动态范围并非一个独立的参数，是由以下几个核心因素来共同决定的：
1、ADC的位数，也就是分辨率
这是最直接、最重要的因素。ADC的位数（N）理论上决定了其理想的动态范围。
计算公式：理论动态范围 (dB) ≈ 6.02 * N + 1.76
举例：
一个16位的ADC，其理论动态范围 ≈ 6.02 * 16 + 1.76 ≈ 98 dB。
一个24位的ADC，其理论动态范围 ≈ 6.02 * 24 + 1.76 ≈ 146 dB。
注意：这是一个理想值，仅考虑了量化噪声，没有考虑其他实际噪声源，以及ADC的有效位数。
2、本底噪声
这是限制实际动态范围的另一个关键因素。即使ADC有很高的位数，如果系统本身噪声很大，微小信号也会被淹没在噪声中，导致有效动态范围降低。
本底噪声主要来源于：
前端模拟电路噪声：运算放大器、电阻等元件产生的热噪声、散粒噪声、1/f噪声等。
PCB布局和屏蔽：不良的布局和屏蔽会引入电磁干扰。
电源噪声：供电电源的纹波和噪声 等。
3、有效位数
这是一个将ADC的实际性能折算回“等效位数”的指标。它比标称位数更能真实反映动态性能。
ADC的有效位数通常低于标称位数。例如，一个标称16位的ADC，其有效位数可能只有14位或更低。实际有效位数直接决定了系统的实际动态范围。
三、动态范围的意义
保证测量精度：在高动态范围的信号中，高动态范围的采集卡可以确保所有成分都被准确数字化，不会因为量程设置不当而丢失大信号（削波）或忽略小信号（被噪声淹没）。
减少量程切换：在测试过程中，如果信号幅度变化很大，低动态范围的系统可能需要频繁切换量程来适应，这不仅可能丢失数据，还降低了效率。高动态范围的采集卡可以设置一个固定的大量程，同时也能捕捉到微小细节，简化了操作。
提升信噪比：动态范围与信噪比紧密相关。高动态范围通常意味着高的信噪比，测量结果更纯净、更可靠。
四、不同区间值的动态范围可应用的场景：
动态范围区间 (dB) | 典型应用场景 | 说明 |
60 - 80dB | 工业自动化、过程控制、数字IO、开关状态监测。 | 对应约10-13位实际有效位数。信号幅度相对稳定，变化不大，对微小信号分辨要求不高。 |
90 - 110dB | 音频测试与分析、振动分析（大型机械）、常规超声检测、发动机控制。 | 对应约16-18位实际有效位数。这是最常用的区间。音频信号（90-100dB）和许多工业振动信号在此范围内。 |
110 - 130dB | 高精度音频测量、地震监测、声学与噪声研究（如环境噪声分析）、爆炸冲击测试。 | 对应约18-21位实际有效位数。需要捕捉极其微弱信号与强烈瞬态信号共存的场景。 |
> 130dB | 高端超声成像（医疗）、动态光散射、光子计数、高分辨率质谱分析、高级声学研究。 | 对应24位及以上ADC。应用于顶尖的科研和医疗领域，要求极限的灵敏度和宽容度，信号可能跨越多个数量级。 |
五、总结：
数据采集卡的动态范围是一项综合性能指标，由ADC位数、本底噪声和有效位数等多个因素共同决定，直接反映了设备在“大小信号并存”场景中的处理能力。
因此在选择采集卡时，不应仅关注ADC的标称位数，更应结合实际应用需求，考察其实际动态范围与有效位数等关键指标，以确保所选产品匹配目标信号的特性。