泰克示波器6系列如何避免削波

削波 (Clipping) 是示波器上一種不良狀態，理解其對硬件分析、波形數據采集和自動測量時測試測量設置的影響至關重要。信號削波會導致示波器顯示屏上波形失真，造成測量不準確或信號保真度損失。通過了解示波器如何處理削波，設計人員可以就測試設置做出明智決策，確保測試期間測量的準確性。

傳統上，工程師會降低數字示波器的垂直刻度來檢查更精細的波形細節。然而，將垂直刻度設置過低會導致更大范圍的信號被削波。

輸入信號超過示波器輸入范圍時會導致信號削波或失真，這種情況稱為信號削波（或簡稱削波）。具體而言，當原始輸入信號包含超過數字示波器模數轉換器(ADC)和垂直設置最大輸入范圍的采樣或點時，就會發生削波。然而，削波也可能發生在信號路徑上任何限制被超過時，甚至在數字信號處理期間。

圖1：泰克示波器上的削波現象展示（通道標識與自動測量雙界面呈現）

圖1顯示了泰克MS064B上如何將削波作為警告指示器顯示在通道標識中。底部通道1標識上有一個紅色的"Clipping"指示，通道1的自動測量顯示紅色的"Neg clipping"警告。這些警告通知用戶輸入信號包含超過數字示波器垂直縮放和ADC范圍設置的采樣。

默認情況下，泰克示波器不允許用戶禁用或修改削波警告和指示器。這些警報對于在測量高電壓、電流或功率時最小化安全風險和防止潛在儀器損壞至關重要。此外，當測量結果可能不可靠導致測量不準確時，它們會通知用戶。

6系列示波器的削波指示

泰克示波器提供兩種可見的削波警告。這些削波警告告訴用戶輸入信號何時超過示波器輸入范圍，導致波形視圖中的波形被削波。最直接可靠的方法是觀察波形視圖底部通道標識上顯示的紅色"Clipping"警告（見圖2）。此外，

 即使可見波形不包含任何可見削波，削波警告也會出現。這意味著在采集中檢測到至少一個信號削波實例。

 當采集停止時，削波警告仍然存在。在泰克數字示波器中，即使波形視圖暫停，ADC也會持續采樣。

圖2：通道1標志上的Clipping警告

自動測量也有削波警告。當測量限定符檢測到無效輸入或波形點時，測量標識中會出現紅色"Pos clipping"或"Neg clipping"警告。圖3顯示了這些警告的示例。" Pos clipping "指信號在ADC范圍以上被削波的情況，而" Neg clipping "表示信號在ADC范圍以下被削波。

圖3：基于當前采集數據的測量標識削波警告

泰克示波器削波警告是示波器信號路徑中軟件生成的標志。圖4顯示了泰克6系列示波器的通用信號路徑圖。通道標識削波警告與示波器模擬前端的12位ADC相關聯。ADC具有固定的輸入范圍，模擬前端將垂直縮放輸入以適應ADC輸入范圍。通道標識削波警告特意放置在ADC處，以在模擬輸入沿信號路徑移動進行顯示之前檢測到削波時提醒用戶。這避免了依賴所顯示的波形，并通知用戶進行必要調整以避免ADC處的削波。如果沒有ADC處的此警告，當輸入超過ADC輸入范圍（即飽和）時，示波器有可能顯示失真的波形，導致波形表示不正確。

圖4：不同的削波警告及其與6系列信號路徑的關聯。TEK026和TEK061是泰克專用ASIC芯片，分別用于1MΩ和50Ω信號路徑。

在信號路徑的更下游，波形數據存儲在存儲器（采集存儲器）中。自動測量對存儲的波形數據進行操作。如果測量限定符檢測到數據中超出垂直刻度設置（符號表示為NaN或"Inf"）的無效輸入，自動測量標識將顯示類似于圖4所示的削波警告。

當采集期間發生削波時，它表示為NaN（非數字）。對于.csv和.MAT文件，NaN表示為"Inf"或"-Inf"，分別表示正或負削波。雖然不是最直接的削波指示，但應仔細檢查波形數據中任何削波波形數據的出現，因為削波波形數據可能產生誤導或不正確的測量結果。

泰克6系列和6系列B MSO包含模擬（硬件）前端和DSP（即軟件）濾波。6系列使用硬件和DSP濾波來實現高帶寬和更精細垂直刻度的顯著低噪聲性能。6系列硬件濾波在示波器模擬前端（ADC之前）執行。軟件濾波在信號路徑的更下游（ADC之后）運行。當顯示屏上的波形可能看起來沒有被削波但顯示削波警告時，理解這些細節至關重要。

圖5顯示了由泰克AFG31000生成的噪聲波形。噪聲輸入在MS064B上測量，所有4個通道設置為50Ω終端。其余通道設置如表1所示。通道1、2和4的結果正確地將波形與通道標識的狀態相關聯。然而，通道3標識中有警告，但波形視覺上看起來沒有被削波。

圖5：MSO64B示波器1至4通道顯示AFG31000任意/函數發生器輸入的噪聲信號。通道3啟用的20 MHz帶寬濾波器在模數轉換器 (ADC)之后應用，因此會降低信號顯示幅值，但不會消除ADC超量程現象。

表1. 用于說明圖5中削波警告的通道設置。

這種現象是由于ADC、50Ω終端和DSP濾波之間的相互作用。為了獲得更低的噪聲性能，50Ω終端信號路徑在6系列MSO中不使用TEK026放大器進行信號調理（架構細節參見圖4）。此外，可選的200 MHz或20 MHz通道帶寬限制作為DSP濾波器實現，在信號路徑中的ADC之后應用。這使得ADC可以用更少的組件和縮放元件處理輸入信號，基本上是查看原始輸入。因此，如果輸入信號幅度超出ADC的輸入范圍，ADC可能飽和并在通道標識上啟動削波警告。同時，輸入信號沿信號路徑移動，在那里被數字化、濾波、存儲在存儲器中并顯示。這可能視覺上看起來波形沒有被削波，但通道標識警告用戶存在削波。

盡管削波警告和顯示屏上的波形似乎給出不同的指示，但這種設計是有意為之，以實現6系列在更精細伏/格下的低噪聲性能。50Ω終端輸入中不使用TEK026放大器，因為它具有較低的帶寬和較高的噪聲規格，不適合更高保真度的50Ω路徑。因此，只有TEK061在模擬前端的50Ω輸入中。這一決定防止了額外的噪聲并保持了50Ω輸入信號完整性。6系列還使用DSP濾波實現200 MHz和20 MHz帶寬。

與模擬濾波相比，DSP濾波具有改進的截止精度和隨時間一致的性能。使用200MHz或20MHz DSP濾波減少了50Ω輸入中的高頻噪聲，并防止混疊，而不會增加可能提高噪聲水平和降低信號完整性的組件。

示波器探頭也影響削波。大多數數字示波器有50Ω和1MΩ信號路徑（阻抗為路徑的終端）。一些現代示波器通道可以根據連接的探頭自動設置信號路徑終端。泰克6系列有50Ω和1MΩ信號路徑，根據連接的探頭，啟用不同的信號路徑，從而影響削波行為。

圖6顯示了帶有TPP1000無源探頭連接到通道1和TDP1000高壓差分探頭連接到通道2的泰克MS064B，兩個通道的帶寬設置為1GHz。此圖演示了1.2 V峰峰值噪聲信號輸入如何顯示兩個通道（即兩個探頭）的通道標識和測量標識削波。

將通道帶寬降至20 MHz對削波行為有顯著影響。如圖7所示，通道1（TPP1000）顯示無削波，而通道2（TDP1000）顯示標識中有削波，盡管兩者視覺上看起來沒有被削波。這種現象是由于每個通道采用的信號路徑。通道1（TPP1000）使用包含TEK026放大器路徑的1MΩ信號路徑。同時，通道2（TDP1000）使用50Ω信號路徑且不包含TEK026放大器。TEK026具有適當調節和縮放輸入以適合ADC輸入范圍的效果，并消除前端的削波警告。

注意：在圖6和7中，通道1標識中的符號表示使用1MΩ信號路徑的無源探頭，TEK026配置為250kΩ終端。

圖6：通道1連接TPP1000探頭與通道2連接TDP1000探頭的對比測試（雙通道均啟用1GHz帶寬限制）

圖7：通道1配置TPP1000無源探頭（1MΩ信號路徑），通道2配置TDP1000差分探頭（50Ω信號路徑），雙通道均啟用20MHz帶寬限制

如何避免削波

避免削波的最佳實踐是增加垂直縮放，即增加更多伏/格，并調整垂直位置，使信號的幅度范圍適合示波器的輸入范圍。調整垂直刻度和位置將在數字示波器上衰減、放大和/或偏移輸入信號到ADC。此操作確保信號適當縮放以適應ADC的范圍。

使用保持信號在顯示屏上而不削波的最小垂直刻度是實現更精細測量分辨率而不使ADC飽和同時保持測量完整性的最佳方式。泰克6系列MSO規格和性能驗證文檔詳細說明了各種規格及其與垂直刻度變化相關的準確性，包括DC增益準確性、DC偏移準確性和過載恢復時間。這些規格和性能細節共同幫助用戶理解垂直刻度變化可能對其測量產生的影響。

泰克科技建議示波器用戶：當輸入信號超出量程時，務必避免信號削波現象，以防止信號失真、測量誤差及設備損壞。

使用縮放查看細節

傳統上，通過減小垂直刻度來檢查波形細節。然而，這種方法在過驅動示波器輸入時可能導致信號削波。幸運的是，泰克示波器提供標準的縮放和平移功能，與水平和垂直刻度控制分開。此功能允許用戶調查波形細節而不會削波波形或改變任何波形刻度。通過縮放和平移功能，用戶可以檢查波形細節而不會故意削波信號并危及測量準確性。示波器用戶可以保持波形分辨率，同時能夠在顯示屏上調查波形細節。

圖8：通道1的波形縮放與平移操作展示（保持原有水平/垂直標度不變的情況下精細檢測波形細節）

故意削波和潛在陷阱

可能還需要考慮6系列MSO規格和性能驗證文檔中的規格，如過載恢復時間，并理解此時間將如何影響測量結果。

例如，圖9顯示MS064B內部AFG生成1V峰峰值、100 kHz正弦波輸入到示波器的通道1。注意通道標識顯示削波警告，并且波形視覺上正在削波。波形上有一個最大測量活動且不顯示任何警告。對于0V偏移的1V峰峰值正弦波，我們預期最大測量結果大約為0.5V（500mV）。測量結果為518mV，接近我們考慮削波影響時的預期。根據測試約束，這些結果可能對設計人員、測試工程師或預期應用足夠。然而，一般來說，當故意削波示波器時，測量結果和準確性不能保證，并且可能與數據表規格有所偏差。

圖9：通道1測量人為施加削波的1V峰峰值正弦波，并顯示最大值測量結果

總結

示波器削波警告在確保用戶安全、防止儀器損壞以及驗證測量和波形結果方面發揮著重要作用。本技術簡報涵蓋了示波器削波的背景以及6系列和6系列B MSO用戶界面如何顯示削波警告。此外，本簡報查看了一些示波器削波的示例和糾正削波問題的方法，如調整垂直縮放或在6系列上使用縮放和平移功能。識別削波的外觀、其對測量的影響以及如何糾正它，可以幫助設計人員和測試工程師實現驗證的波形結果、準確的自動測量并保證測量完整性。