m10-01 теория 6 мин

Аналоговый сигнал и шум

Аналоговый сигнал — это напряжение, которое меняется непрерывно. Любое такое изменение сопровождается шумом: случайными колебаниями, которых нет в источнике.

Откуда шум:

— Тепловой шум резисторов (шум Джонсона): есть всегда, растёт с температурой и сопротивлением.
— Наводки 50 Гц от сети: ловит любой провод, работающий как антенна.
— Импульсные помехи от импульсных преобразователей и моторов.
— Цифровой шум: быстрые фронты рядом с аналоговым проводом наводят импульсы.
— Дробовой шум в полупроводниках.

Отношение сигнал/шум (SNR) говорит, насколько сигнал больше шума. 60 дБ — сигнал в 1000 раз больше шума, это хорошо. 20 дБ — в 10 раз, уже плохо.

Что делать:

— Усиливать сигнал как можно раньше, до передачи по длинному проводу.
— Сужать полосу: если сигнал 0–10 Гц, всё выше — шум, его можно отфильтровать.
— Усреднять: N отсчётов снижают случайный шум в sqrt(N) раз (100 отсчётов — в 10 раз).
— Экранировать и вить пары, уводить провода от импульсных источников.
— Питать аналоговую часть через LDO или RC-фильтр, а не напрямую от buck.

Полезно понимать: шум нельзя убрать полностью, можно только сделать его меньше сигнала. Вопрос всегда «какой SNR нужен» — 8 бит АЦП требуют SNR около 50 дБ, 16 бит — около 96 дБ, и это уже совсем другая схемотехника.

Зачем

Шум — причина «датчик врёт на ±3 единицы», и без понимания его источников борьба идёт наугад.

Сделай сейчас

Подключи любой аналоговый вход и запиши 100 отсчётов при неподвижном сигнале. Посчитай размах — это шум твоей схемы в единицах АЦП.

Проверь себя

Почему усреднение 100 отсчётов улучшает результат только в 10 раз, а не в 100?

Случайный шум складывается как корень из суммы квадратов: усреднение N отсчётов уменьшает его в sqrt(N) раз. Систематические помехи (наводка 50 Гц) так не убираются — их надо фильтровать.

Пройти тест 5 заданий
0 из 102 · 0%
Источники
  1. Wikipedia: Noise (electronics)
    виды шума
  2. Хоровиц П., Хилл У. «Искусство схемотехники», гл. 1
    шум и отношение сигнал/шум