第一部分：理解噪声
在讨论如何抑制噪声之前,我们首先要了解噪声是什么。
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什么是噪声？
噪声是指信号中不希望出现的、随机的或无规律的电扰动，它与有用信号叠加在一起,难以完全分离。
噪声的分类
根据噪声来源,可以分为两大类：
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内部噪声: 由电子系统内部元器件产生，是固有的、无法消除的,但可以控制。
- 热噪声: 由导体中电子的随机热运动产生，存在于所有有电阻的元件中，其大小与温度和电阻值成正比，带宽越宽,噪声越大。
- 散粒噪声: 由半导体器件（如二极管、晶体管）中载流子的随机产生和复合引起。
- 闪烁噪声 (1/f噪声): 频率越低，噪声越大，常见于有源器件（如晶体管、运放）中。
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外部噪声: 来自系统外部,通过传导或耦合进入系统。
（图片来源网络，侵删）- 传导噪声: 通过导线（如电源线、信号线）直接传播。
- 工频噪声 (50/60 Hz): 来自市电电网。
- 开关电源噪声: 来自开关电源的开关动作。
- 数字电路噪声: 来自高速数字信号的跳变。
- 辐射噪声: 通过空间以电磁波的形式传播。
- 射频干扰: 来自无线通信设备、雷达等。
- 静电放电: 人体或设备积累的静电瞬间释放。
- 雷电、电机电刷火花等。
- 传导噪声: 通过导线（如电源线、信号线）直接传播。
第二部分：噪声抑制的基本策略
抑制噪声的核心思想是 “堵、隔、滤、地、配” 五个字。
- 堵: 阻止噪声源的产生。
- 隔: 隔离噪声路径,防止噪声传播。
- 滤: 滤除已经混入信号的噪声。
- 地: 建立一个稳定、干净的参考电位。
- 配: 合理布局和布线,减少耦合。
第三部分：具体的噪声抑制技术
以下是针对不同噪声来源和系统环节的具体技术：
供电系统噪声抑制
电源是噪声的主要来源之一,也是最容易引入噪声的路径。
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技术1：滤波
（图片来源网络，侵删）- 输入滤波: 在电源入口处使用 π型滤波器 (由两个电容和一个电感组成),可以有效滤除传导到系统的高频噪声。
- 输出滤波: 在敏感电路的电源输入端放置一个 电容滤波网络，通常是一个大容量的电解电容（滤低频）并联一个小容量的陶瓷电容（滤高频）。
- 磁珠: 在电源或信号线上串联磁珠，它对直流和低频信号几乎没有影响，但对高频噪声呈现高阻抗,起到扼流圈的作用。
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技术2：稳压与隔离
- 线性稳压器: 相比开关电源，线性稳压器输出纹波和噪声极小,适用于对电源质量要求极高的模拟电路。
- 开关稳压器: 虽然自身噪声大，但效率高，通过优化PCB布局、增加LC滤波等方式可以抑制其噪声。
- 电源隔离变压器: 使用隔离变压器可以切断地环路,有效抑制共模噪声和工频干扰。
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技术3：分布式电源
对于大型系统，采用“一次电源 + 二次电源”的分布式架构，将一个干净的主电源分配到各个功能模块，每个模块再使用独立的DC-DC转换器供电,避免相互干扰。
接地技术
“接地”是电子系统设计的灵魂，也是最容易出问题的地方,错误的接地方式会使噪声抑制效果大打折扣。
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接地原则：
- 单点接地: 在低频电路（<1MHz）中，所有电路的地线最终都连接到物理上的一个公共点,可以避免地环路。
- 多点接地: 在高频电路（>10MHz）中，提供一个低阻抗的接地平面，所有器件的地就近连接到这个平面上，减小了接地电感,抑制了高频噪声。
- 混合接地: 结合单点和多点接地的优点，通过电容或电感连接,适用于宽频带系统。
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接地平面:
在多层PCB中，设置一个完整的、未分割的铜层作为地平面，它提供了最低的阻抗路径，能有效屏蔽噪声、减少串扰。
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避免地环路:
- 当两个或多个设备通过不同地点接地时，由于地电位差会形成一个环路,环路会感应出噪声。
- 解决方案：
- 使用 隔离变压器。
- 使用 光耦 或 光纤 进行信号传输。
- 使用 差分信号 传输。
布线与布局技术
PCB布局是抑制噪声的第一道防线,也是最重要的一道防线。
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技术1：分区布局
- 将系统划分为 模拟区、数字区、功率区 等。
- 将模拟电路和数字电路物理上分开,避免数字信号线穿过模拟区域。
- 敏感的高阻抗信号线（如运放输入端）应远离高速数字信号线和电源线。
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技术2：布线原则
- 短而直: 尽量缩短信号线长度,特别是高频和敏感信号线。
- 平行走线: 避免长距离的平行布线，平行走线之间会因电容和电感产生串扰，如果必须平行,尽量增大间距或用地线隔开。
- 电源和地线: 电源线和地线应尽量粗,以减小阻抗。
- 差分对布线: 差分信号的两条线应等长、等距、平行布线，并紧靠在一起,这样可以最大程度地抑制共模噪声。
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技术3：屏蔽
- 屏蔽罩: 对特别敏感或噪声源的电路（如时钟、射频模块）用金属屏蔽罩罩起来,并良好接地。
- 屏蔽电缆: 传输低电平或高频信号时，使用带屏蔽层的电缆，并将屏蔽层一端或两端接地（根据具体情况选择）。
信号处理技术
当噪声已经进入信号中,可以通过电路和数字方法进行抑制。
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技术1：模拟滤波
- RC滤波器: 简单有效,用于滤除特定频段的噪声。
- 有源滤波器: 由运放和RC网络构成，可以实现更高阶、更精确的滤波特性。
- 应用： 在ADC采样前，必须使用一个 抗混叠滤波器 来滤除高于奈奎斯特频率的噪声。
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技术2：差分信号
- 使用两条极性相反的线路传输信号（V+ 和 V-），接收端检测的是两者的差值
(V+ - V-)。 - 优势： 两条线上的共模噪声（如电源波动、地线噪声）会被抵消，极大地提高了抗干扰能力，广泛用于RS-485、USB、LVDS等接口。
- 使用两条极性相反的线路传输信号（V+ 和 V-），接收端检测的是两者的差值
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技术3：锁相环
用于从被噪声污染的信号中提取出干净的时钟或特定频率的信号。
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技术4：数字信号处理
- 软件滤波:
- 移动平均滤波: 简单平滑,但会降低信号响应速度。
- 卡尔曼滤波: 适用于动态系统,能从包含噪声的测量中估计出系统的真实状态。
- FIR/IIR滤波器: 在数字域实现复杂的滤波功能。
- 调制解调技术: 如将微弱的直流或低频信号调制到高频 carrier 上进行传输，可以有效避开1/f噪声和低频干扰,解调后再恢复原信号。
- 软件滤波:
元器件选择
- 低噪声器件: 选用低噪声系数的运放、低噪声的晶体管等。
- 高质量电容: 不同类型的电容有不同的频率特性，钽电容和电解电容适合低频滤波，而陶瓷电容（如X7R, X5R）适合高频滤波。
- 屏蔽元器件: 选用带屏蔽功能的连接器、继电器等。
第四部分：设计流程与最佳实践
一个优秀的抗噪声设计不是单一技术的堆砌,而是一个系统性的工程。
- 需求分析: 明确系统的信噪比要求、工作频率、敏感信号和噪声源。
- 系统级设计:
- 进行功能分区。
- 选择合适的
