前言

削波 (Clipping) 是示波器上一種不良狀態(tài)，理解其對(duì)硬件分析、波形數(shù)據(jù)采集和自動(dòng)測(cè)量時(shí)測(cè)試測(cè)量設(shè)置的影響至關(guān)重要。信號(hào)削波會(huì)導(dǎo)致示波器顯示屏上波形失真，造成測(cè)量不準(zhǔn)確或信號(hào)保真度損失。通過(guò)了解示波器如何處理削波，設(shè)計(jì)人員可以就測(cè)試設(shè)置做出明智決策，確保測(cè)試期間測(cè)量的準(zhǔn)確性。

本文將介紹了削波概念、削波指示和警告，以及如何在泰克6系列和 MSO6B系列示波器上避免削波。

傳統(tǒng)上，工程師會(huì)降低數(shù)字示波器的垂直刻度來(lái)檢查更精細(xì)的波形細(xì)節(jié)。然而，將垂直刻度設(shè)置過(guò)低會(huì)導(dǎo)致更大范圍的信號(hào)被削波。

輸入信號(hào)超過(guò)示波器輸入范圍時(shí)會(huì)導(dǎo)致信號(hào)削波或失真，這種情況稱為信號(hào)削波（或簡(jiǎn)稱削波）。具體而言，當(dāng)原始輸入信號(hào)包含超過(guò)數(shù)字示波器模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)和垂直設(shè)置最大輸入范圍的采樣或點(diǎn)時(shí)，就會(huì)發(fā)生削波。然而，削波也可能發(fā)生在信號(hào)路徑上任何限制被超過(guò)時(shí)，甚至在數(shù)字信號(hào)處理期間。

圖1：泰克示波器上的削波現(xiàn)象展示（通道標(biāo)識(shí)與自動(dòng)測(cè)量雙界面呈現(xiàn)）

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(biāo)識(shí)中。底部通道1標(biāo)識(shí)上有一個(gè)紅色的"Clipping"指示，通道1的自動(dòng)測(cè)量顯示紅色的"Neg clipping"警告。這些警告通知用戶輸入信號(hào)包含超過(guò)數(shù)字示波器垂直縮放和ADC范圍設(shè)置的采樣。

默認(rèn)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(bào)對(duì)于在測(cè)量高電壓、電流或功率時(shí)最小化安全風(fēng)險(xiǎn)和防止?jié)撛趦x器損壞至關(guān)重要。此外，當(dāng)測(cè)量結(jié)果可能不可靠導(dǎo)致測(cè)量不準(zhǔn)確時(shí)，它們會(huì)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(jiàn)的削波警告。這些削波警告告訴用戶輸入信號(hào)何時(shí)超過(guò)示波器輸入范圍，導(dǎo)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(biāo)識(shí)上顯示的紅色"Clipping"警告（見(jiàn)圖2）。此外，

■ 即使可見(jiàn)波形不包含任何可見(jiàn)削波，削波警告也會(huì)出現(xiàn)。這意味著在采集中檢測(cè)到至少一個(gè)信號(hào)削波實(shí)例。

■ 當(dāng)采集停止時(shí)，削波警告仍然存在。在泰克數(shù)字示波器中，即使波形視圖暫停，ADC也會(huì)持續(xù)采樣。

圖2：通道1標(biāo)志上的Clipping警告

自動(dòng)測(cè)量也有削波警告。當(dāng)測(cè)量限定符檢測(cè)到無(wú)效輸入或波形點(diǎn)時(shí)，測(cè)量標(biāo)識(shí)中會(huì)出現(xiàn)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(hào)在ADC范圍以上被削波的情況，而" Neg clipping "表示信號(hào)在ADC范圍以下被削波。

圖3：基于當(dāng)前采集數(shù)據(jù)的測(cè)量標(biāo)識(shí)削波警告

泰克示波器削波警告是示波器信號(hào)路徑中軟件生成的標(biāo)志。圖4顯示了泰克6系列示波器的通用信號(hào)路徑圖。通道標(biāo)識(shí)削波警告與示波器模擬前端的12位ADC相關(guān)聯(lián)。ADC具有固定的輸入范圍，模擬前端將垂直縮放輸入以適應(yīng)ADC輸入范圍。通道標(biāo)識(shí)削波警告特意放置在ADC處，以在模擬輸入沿信號(hào)路徑移動(dòng)進(jìn)行顯示之前檢測(cè)到削波時(shí)提醒用戶。這避免了依賴所顯示的波形，并通知用戶進(jìn)行必要調(diào)整以避免ADC處的削波。如果沒(méi)有ADC處的此警告，當(dāng)輸入超過(guò)ADC輸入范圍（即飽和）時(shí)，示波器有可能顯示失真的波形，導(dǎo)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(hào)路徑的關(guān)聯(lián)。TEK026和TEK061是泰克專(zhuān)用ASIC芯片，分別用于1MΩ和50Ω信號(hào)路徑。

在信號(hào)路徑的更下游，波形數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器（采集存儲(chǔ)器）中。自動(dòng)測(cè)量對(duì)存儲(chǔ)的波形數(shù)據(jù)進(jìn)行操作。如果測(cè)量限定符檢測(cè)到數(shù)據(jù)中超出垂直刻度設(shè)置（符號(hào)表示為NaN或"Inf"）的無(wú)效輸入，自動(dòng)測(cè)量標(biāo)識(shí)將顯示類(lèi)似于圖4所示的削波警告。

當(dāng)采集期間發(fā)生削波時(shí)，它表示為NaN（非數(shù)字）。對(duì)于.csv和.MAT文件，NaN表示為"Inf"或"-Inf"，分別表示正或負(fù)削波。雖然不是最直接的削波指示，但應(yīng)仔細(xì)檢查波形數(shù)據(jù)中任何削波波形數(shù)據(jù)的出現(xiàn)，因?yàn)橄鞑úㄐ螖?shù)據(jù)可能產(chǎn)生誤導(dǎo)或不正確的測(cè)量結(jié)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(lái)實(shí)現(xiàn)高帶寬和更精細(xì)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(zhí)行。軟件濾波在信號(hào)路徑的更下游（ADC之后）運(yùn)行。當(dāng)顯示屏上的波形可能看起來(lái)沒(méi)有被削波但顯示削波警告時(shí)，理解這些細(xì)節(jié)至關(guān)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(cè)量，所有4個(gè)通道設(shè)置為50Ω終端。其余通道設(shè)置如表1所示。通道1、2和4的結(jié)果正確地將波形與通道標(biāo)識(shí)的狀態(tài)相關(guān)聯(lián)。然而，通道3標(biāo)識(shí)中有警告，但波形視覺(jué)上看起來(lái)沒(méi)有被削波。

圖5：MSO64B示波器1至4通道顯示AFG31000任意/函數(shù)發(fā)生器輸入的噪聲信號(hào)。通道3啟用的20 MHz帶寬濾波器在模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)之后應(yīng)用，因此會(huì)降低信號(hào)顯示幅值，但不會(huì)消除ADC超量程現(xiàn)象。

表1. 用于說(shuō)明圖5中削波警告的通道設(shè)置。

這種現(xiàn)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(hào)路徑在6系列MSO中不使用TEK026放大器進(jìn)行信號(hào)調(diào)理（架構(gòu)細(xì)節(jié)參見(jiàn)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(shí)現(xiàn)，在信號(hào)路徑中的ADC之后應(yīng)用。這使得ADC可以用更少的組件和縮放元件處理輸入信號(hào)，基本上是查看原始輸入。因此，如果輸入信號(hào)幅度超出ADC的輸入范圍，ADC可能飽和并在通道標(biāo)識(shí)上啟動(dòng)削波警告。同時(shí)，輸入信號(hào)沿信號(hào)路徑移動(dòng)，在那里被數(shù)字化、濾波、存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中并顯示。這可能視覺(jué)上看起來(lái)波形沒(méi)有被削波，但通道標(biāo)識(shí)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(shè)計(jì)是有意為之，以實(shí)現(xiàn)6系列在更精細(xì)伏/格下的低噪聲性能。50Ω終端輸入中不使用TEK026放大器，因?yàn)樗哂休^低的帶寬和較高的噪聲規(guī)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(hào)完整性。6系列還使用DSP濾波實(shí)現(xiàn)200 MHz和20 MHz帶寬。

與模擬濾波相比，DSP濾波具有改進(jìn)的截止精度和隨時(shí)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(huì)增加可能提高噪聲水平和降低信號(hào)完整性的組件。

示波器探頭也影響削波。大多數(shù)數(shù)字示波器有50Ω和1MΩ信號(hào)路徑（阻抗為路徑的終端）。一些現(xiàn)代示波器通道可以根據(jù)連接的探頭自動(dòng)設(shè)置信號(hào)路徑終端。泰克6系列有50Ω和1MΩ信號(hào)路徑，根據(jù)連接的探頭，啟用不同的信號(hào)路徑，從而影響削波行為。

圖6顯示了帶有TPP1000無(wú)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(gè)通道的帶寬設(shè)置為1GHz。此圖演示了1.2 V峰峰值噪聲信號(hào)輸入如何顯示兩個(gè)通道（即兩個(gè)探頭）的通道標(biāo)識(shí)和測(cè)量標(biāo)識(shí)削波。

將通道帶寬降至20 MHz對(duì)削波行為有顯著影響。如圖7所示，通道1（TPP1000）顯示無(wú)削波，而通道2（TDP1000）顯示標(biāo)識(shí)中有削波，盡管兩者視覺(jué)上看起來(lái)沒(méi)有被削波。這種現(xiàn)象是由于每個(gè)通道采用的信號(hào)路徑。通道1（TPP1000）使用包含TEK026放大器路徑的1MΩ信號(hào)路徑。同時(shí)，通道2（TDP1000）使用50Ω信號(hào)路徑且不包含TEK026放大器。TEK026具有適當(dāng)調(diào)節(jié)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(biāo)識(shí)中的符號(hào)表示使用1MΩ信號(hào)路徑的無(wú)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(duì)比測(cè)試（雙通道均啟用1GHz帶寬限制）

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