泰克示波器6系列如何避免削波
削波 (Clipping) 是示波器上一种不良状态，理解其对硬件分析、波形数据采集和自动测量时测试测量设置的影响至关重要。信号削波会导致示波器显示屏上波形失真，造成测量不准确或信号保真度损失。通过了解示波器如何处理削波，设计人员可以就测试设置做出明智决策，确保测试期间测量的准确性。
传统上，工程师会降低数字示波器的垂直刻度来检查更精细的波形细节。然而，将垂直刻度设置过低会导致更大范围的信号被削波。
输入信号超过示波器输入范围时会导致信号削波或失真，这种情况称为信号削波（或简称削波）。具体而言，当原始输入信号包含超过数字示波器模数转换器(ADC)和垂直设置最大输入范围的采样或点时，就会发生削波。然而，削波也可能发生在信号路径上任何限制被超过时，甚至在数字信号处理期间。
图1：泰克示波器上的削波现象展示（通道标识与自动测量双界面呈现）
图1显示了泰克MS064B上如何将削波作为警告指示器显示在通道标识中。底部通道1标识上有一个红色的"Clipping"指示，通道1的自动测量显示红色的"Neg clipping"警告。这些警告通知用户输入信号包含超过数字示波器垂直缩放和ADC范围设置的采样。
默认情况下，泰克示波器不允许用户禁用或修改削波警告和指示器。这些警报对于在测量高电压、电流或功率时最小化安全风险和防止潜在仪器损坏至关重要。此外，当测量结果可能不可靠导致测量不准确时，它们会通知用户。
6系列示波器的削波指示
泰克示波器提供两种可见的削波警告。这些削波警告告诉用户输入信号何时超过示波器输入范围，导致波形视图中的波形被削波。最直接可靠的方法是观察波形视图底部通道标识上显示的红色"Clipping"警告（见图2）。此外，
即使可见波形不包含任何可见削波，削波警告也会出现。这意味着在采集中检测到至少一个信号削波实例。
当采集停止时，削波警告仍然存在。在泰克数字示波器中，即使波形视图暂停，ADC也会持续采样。
图2：通道1标志上的Clipping警告
自动测量也有削波警告。当测量限定符检测到无效输入或波形点时，测量标识中会出现红色"Pos clipping"或"Neg clipping"警告。图3显示了这些警告的示例。" Pos clipping "指信号在ADC范围以上被削波的情况，而" Neg clipping "表示信号在ADC范围以下被削波。
图3：基于当前采集数据的测量标识削波警告
泰克示波器削波警告是示波器信号路径中软件生成的标志。图4显示了泰克6系列示波器的通用信号路径图。通道标识削波警告与示波器模拟前端的12位ADC相关联。ADC具有固定的输入范围，模拟前端将垂直缩放输入以适应ADC输入范围。通道标识削波警告特意放置在ADC处，以在模拟输入沿信号路径移动进行显示之前检测到削波时提醒用户。这避免了依赖所显示的波形，并通知用户进行必要调整以避免ADC处的削波。如果没有ADC处的此警告，当输入超过ADC输入范围（即饱和）时，示波器有可能显示失真的波形，导致波形表示不正确。
图4：不同的削波警告及其与6系列信号路径的关联。TEK026和TEK061是泰克专用ASIC芯片，分别用于1MΩ和50Ω信号路径。
在信号路径的更下游，波形数据存储在存储器（采集存储器）中。自动测量对存储的波形数据进行操作。如果测量限定符检测到数据中超出垂直刻度设置（符号表示为NaN或"Inf"）的无效输入，自动测量标识将显示类似于图4所示的削波警告。
当采集期间发生削波时，它表示为NaN（非数字）。对于.csv和.MAT文件，NaN表示为"Inf"或"-Inf"，分别表示正或负削波。虽然不是最直接的削波指示，但应仔细检查波形数据中任何削波波形数据的出现，因为削波波形数据可能产生误导或不正确的测量结果。
泰克6系列和6系列B MSO包含模拟（硬件）前端和DSP（即软件）滤波。6系列使用硬件和DSP滤波来实现高带宽和更精细垂直刻度的显著低噪声性能。6系列硬件滤波在示波器模拟前端（ADC之前）执行。软件滤波在信号路径的更下游（ADC之后）运行。当显示屏上的波形可能看起来没有被削波但显示削波警告时，理解这些细节至关重要。
图5显示了由泰克AFG31000生成的噪声波形。噪声输入在MS064B上测量，所有4个通道设置为50Ω终端。其余通道设置如表1所示。通道1、2和4的结果正确地将波形与通道标识的状态相关联。然而，通道3标识中有警告，但波形视觉上看起来没有被削波。
图5：MSO64B示波器1至4通道显示AFG31000任意/函数发生器输入的噪声信号。通道3启用的20 MHz带宽滤波器在模数转换器 (ADC)之后应用，因此会降低信号显示幅值，但不会消除ADC超量程现象。
表1. 用于说明图5中削波警告的通道设置。
通道 | 伏/格 | 带宽 | 可见削波 | 削波警告 |
1 | 20mV/格 | 2GHz (无滤波器) | ● | ● |
2 | 50mV/格 | 2GHz (无滤波器) |
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3 | 20mV/格 | 20MHz （数字滤波器） |
_ | ● |
4 | 50mV/格 | 20MHz （数字滤波器） |
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这种现象是由于ADC、50Ω终端和DSP滤波之间的相互作用。为了获得更低的噪声性能，50Ω终端信号路径在6系列MSO中不使用TEK026放大器进行信号调理（架构细节参见图4）。此外，可选的200 MHz或20 MHz通道带宽限制作为DSP滤波器实现，在信号路径中的ADC之后应用。这使得ADC可以用更少的组件和缩放元件处理输入信号，基本上是查看原始输入。因此，如果输入信号幅度超出ADC的输入范围，ADC可能饱和并在通道标识上启动削波警告。同时，输入信号沿信号路径移动，在那里被数字化、滤波、存储在存储器中并显示。这可能视觉上看起来波形没有被削波，但通道标识警告用户存在削波。
尽管削波警告和显示屏上的波形似乎给出不同的指示，但这种设计是有意为之，以实现6系列在更精细伏/格下的低噪声性能。50Ω终端输入中不使用TEK026放大器，因为它具有较低的带宽和较高的噪声规格，不适合更高保真度的50Ω路径。因此，只有TEK061在模拟前端的50Ω输入中。这一决定防止了额外的噪声并保持了50Ω输入信号完整性。6系列还使用DSP滤波实现200 MHz和20 MHz带宽。
与模拟滤波相比，DSP滤波具有改进的截止精度和随时间一致的性能。使用200MHz或20MHz DSP滤波减少了50Ω输入中的高频噪声，并防止混叠，而不会增加可能提高噪声水平和降低信号完整性的组件。
示波器探头也影响削波。大多数数字示波器有50Ω和1MΩ信号路径（阻抗为路径的终端）。一些现代示波器通道可以根据连接的探头自动设置信号路径终端。泰克6系列有50Ω和1MΩ信号路径，根据连接的探头，启用不同的信号路径，从而影响削波行为。
图6显示了带有TPP1000无源探头连接到通道1和TDP1000高压差分探头连接到通道2的泰克MS064B，两个通道的带宽设置为1GHz。此图演示了1.2 V峰峰值噪声信号输入如何显示两个通道（即两个探头）的通道标识和测量标识削波。
将通道带宽降至20 MHz对削波行为有显著影响。如图7所示，通道1（TPP1000）显示无削波，而通道2（TDP1000）显示标识中有削波，尽管两者视觉上看起来没有被削波。这种现象是由于每个通道采用的信号路径。通道1（TPP1000）使用包含TEK026放大器路径的1MΩ信号路径。同时，通道2（TDP1000）使用50Ω信号路径且不包含TEK026放大器。TEK026具有适当调节和缩放输入以适合ADC输入范围的效果，并消除前端的削波警告。
注意：在图6和7中，通道1标识中的符号表示使用1MΩ信号路径的无源探头，TEK026配置为250kΩ终端。
图6：通道1连接TPP1000探头与通道2连接TDP1000探头的对比测试（双通道均启用1GHz带宽限制）
图7：通道1配置TPP1000无源探头（1MΩ信号路径），通道2配置TDP1000差分探头（50Ω信号路径），双通道均启用20MHz带宽限制
如何避免削波
避免削波的最佳实践是增加垂直缩放，即增加更多伏/格，并调整垂直位置，使信号的幅度范围适合示波器的输入范围。调整垂直刻度和位置将在数字示波器上衰减、放大和/或偏移输入信号到ADC。此操作确保信号适当缩放以适应ADC的范围。
使用保持信号在显示屏上而不削波的最小垂直刻度是实现更精细测量分辨率而不使ADC饱和同时保持测量完整性的最佳方式。泰克6系列MSO规格和性能验证文档详细说明了各种规格及其与垂直刻度变化相关的准确性，包括DC增益准确性、DC偏移准确性和过载恢复时间。这些规格和性能细节共同帮助用户理解垂直刻度变化可能对其测量产生的影响。
泰克科技建议示波器用户：当输入信号超出量程时，务必避免信号削波现象，以防止信号失真、测量误差及设备损坏。
使用缩放查看细节
传统上，通过减小垂直刻度来检查波形细节。然而，这种方法在过驱动示波器输入时可能导致信号削波。幸运的是，泰克示波器提供标准的缩放和平移功能，与水平和垂直刻度控制分开。此功能允许用户调查波形细节而不会削波波形或改变任何波形刻度。通过缩放和平移功能，用户可以检查波形细节而不会故意削波信号并危及测量准确性。示波器用户可以保持波形分辨率，同时能够在显示屏上调查波形细节。
图8：通道1的波形缩放与平移操作展示（保持原有水平/垂直标度不变的情况下精细检测波形细节）
故意削波和潜在陷阱
可能还需要考虑6系列MSO规格和性能验证文档中的规格，如过载恢复时间，并理解此时间将如何影响测量结果。
例如，图9显示MS064B内部AFG生成1V峰峰值、100 kHz正弦波输入到示波器的通道1。注意通道标识显示削波警告，并且波形视觉上正在削波。波形上有一个最大测量活动且不显示任何警告。对于0V偏移的1V峰峰值正弦波，我们预期最大测量结果大约为0.5V（500mV）。测量结果为518mV，接近我们考虑削波影响时的预期。根据测试约束，这些结果可能对设计人员、测试工程师或预期应用足够。然而，一般来说，当故意削波示波器时，测量结果和准确性不能保证，并且可能与数据表规格有所偏差。
图9：通道1测量人为施加削波的1V峰峰值正弦波，并显示最大值测量结果
总结
示波器削波警告在确保用户安全、防止仪器损坏以及验证测量和波形结果方面发挥着重要作用。本技术简报涵盖了示波器削波的背景以及6系列和6系列B MSO用户界面如何显示削波警告。此外，本简报查看了一些示波器削波的示例和纠正削波问题的方法，如调整垂直缩放或在6系列上使用缩放和平移功能。识别削波的外观、其对测量的影响以及如何纠正它，可以帮助设计人员和测试工程师实现验证的波形结果、准确的自动测量并保证测量完整性。
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