如果你正在考虑买一台新的示波器做高性能嵌入系统的调试工作，并且想知道要花多少时间示波器才能捕捉到与看似随机发生SUT(待测系统)故障有关的瞬息即逝的异常波形，那么,你不太可能从宣传的示波器规格中找到答案。捕捉异常波形的能力取决于那些鲜为人知，并且通常被错误理解的仪器特性。实际使用示波器时，你可能会发现，那些主要规格并不能给出你需要的有关仪器关键特性的足够信息(见附文“采用矩形滤波器”)。
此外，如果你希望有一个能描述示波器捕捉瞬时波形能力的数字，制造商可能会很高兴给你提供；但你从现场工程师获得的这一数字可能与应用毫无关联。与应用有关的参数(如波形周期、扫描时间以及采样速率)可能将异常波形捕捉能力改变几个量级。原因是，大多数实时捕捉DSO(数字存储示波器)都要花费大量时间，用于准备显示刚捕捉到的波形数据。
图1，Agilent90000X系列示波器提供两个通道的32GHz真正模拟带宽，以及四个通道的16GHz带宽。该设备在两个通道活动时采样速率能达80G采样/秒/通道，使用四个通道时达40G采样/秒/通道。
将一系列数字采样(即一个记录)转换为一个可识别和有信息量的显示，其复杂程度超出想象。即使最现代的高性能实时捕捉DSO也会将显示存储器与捕捉存储器分隔开，因此仪器不能在显示准备期间对新的触发指令做出反应(见附文“往屏幕的路上发生的趣事”)。
图2，RohdeandSchwarz公司的RTO系列示波器带有一只定制ASIC，能够捕捉超过100万波形/秒。
一些业内企业将示波器无法处理触发指令的时间间隔叫做睡眠时间(sleeptime)、盲时(blindtime)，或死区时间(deadtime)。然而，在这个不能处理触发指令的时间间隔内，示波器既没有睡眠，也没有变瞎，当然也没有死。用更乐观而方便的词语描述叫苏醒时间(awaretime)，以及苏醒时间百分比。虽然苏醒时间百分比可能还不到1%，但这就是那个你想要了解并用于计算的数字。
还有一个相关的词，叫每秒波形数，这是示波器每秒可显示的波形数量，是示波器制造商最愿意大肆宣扬的示波器显示速度规格。不幸的，每秒波形数与盲、睡眠和死区时间一样，都极大地依赖于一些与应用相关的参数，如波形周期、扫描时间以及采样速率(见附文“DPX，最初的高波形数/秒技术”)。
波形数/秒
Agilent(图1)和RohdeandSchwarz(图2)公司的示波器在1GHz~2GHz范围内提供-3dB带宽时，不需要使用特殊工作模式就能提供最高的刷新速率。两家公司的仪器均能以每刻度10ns提供略高于1百万波形/秒的顶级性能，但在每刻度100ms时则降到约1波形/秒。对每家公司，这些值只适用于少数几种机型。不要以为该厂家的其它机型也有同样的速度，或者选择一款价格更高的机型就能自动得到更快的波形刷新速率。应针对打算购买的那种机型，向供应商索取一个完整的刷新速度规格表。
当前最高刷新速率的示波器在10ns/刻度时有10%~20%的苏醒时间。据Agilent和RohdeandSchwarz公司称，在与这些快速刷新示波器相当的苏醒时间百分比条件下，其它示波器通常的时间只有1%或更低。10%的苏醒时间算很好，20%的时间则可称杰出了。现在还没听说有苏醒时间大于20%的示波器。
实现最高苏醒时间百分比的制造商们都强调一个重要性，那就是不求助于特殊工作模式就可获得这一特性。他们指出，在每天的使用中，快速刷新率的示波器可获得高苏醒时间百分比，能够为用户提供一种“实况般”的感受，而刷新缓慢的示波器的表现则给人慢如蜗牛的感觉。
图3，LeCroy公司有一种不寻常的四通道400MHz与600MHz带宽的WaveRunner6ZiHRO示波器，这不仅因为它采用了12位ADC分辨率，而且有旋转显示器。LeCroy的另一个系列WaveMaster8Zi-A则采用了专利的数字带宽交错法，实现了业界领先的45GHz带宽，一个通道达到了120G采样/秒。在双通道上以80G采样/秒达到了30GHz/通道的带宽，在所有四个通道上以40G采样/秒获得20GHz/通道带宽。
你会发现，1GHz~2GHz范围内-3dB带宽的示波器有最高的苏醒时间百分比。尽管这些示波器为了达到高的百分比，需要复杂的ASIC来实现快速波形处理，更高带宽的示波器可能需要更复杂的波形处理ASIC。在所需的较高采样速率下，这些示波器需要更深的波形存储器，才能捕捉与较低带宽示波器相同周期的记录。随着ASIC技术的进步以及能够做到更高密度的芯片设计，更高性能的示波器将采用改进的技术，高性能示波器(-3dB带宽为10GHz及以上)将出现1百万波形/秒，甚至更高的刷新速率。但制造商们不会对改进的时间表做出承诺。LeCroy公司的WaveMaster8Zi带宽就高于10GHz(图3)，可捕捉1百万波形/秒，但只能在顺序模式下。
“偶然”的事
假设正在设计的系统表现出了下列神秘但还不算异常的特性：在完成其预期功能时，会以确定的时间间隔，平均每小时出现大约两次的系统失效问题，即未完成要求的工作。然后，未做任何改正，它又再次正常了。而经过一段时间后(短至5分钟，长至5小时)，它又神秘地再次出现了。你会试图找出几次神秘事件之间的平均间隔是否有变动，而最终满意地发现，最初平均每30分钟出现一次的估计似乎是正确的。
现在，假设你希望看看系统关键点上的波形，从而确定同一探点上的异常情况是否与正常波形有差异。如果你的四通道DSO苏醒时间百分比为0.1%，那么，如碰巧运气不错，它可能立即捕捉到四个异常波形。另一方面，由于你的示波器苏醒时间百分比较低，因此有理由等上个500小时，或者大约相当于三个星期昼夜不停的测试，才能捕捉到一组异常波形。
图4，Tektronix公司的高性能实时DPO/DSA700000D系列示波器拥有33GHz带宽，在四通道时达50G采样/秒/通道，双通道时达100G采样/秒/通道。
与之相反，如果你的示波器苏醒时间为10%，则可以预期在五个小时内捕捉到一组异常波形。由于故障的发生间隔是随机的，平均时长是30分钟，因此可能需要等得稍长些，或幸运的话，可能不到五个小时就捕捉到第一组异常波形。但关键是，只有当示波器能够感知触发指令时，才可能捕捉到瞬息即逝的事件。如果这种感知触发的时间非常短，则必须延长测试的时长，以补偿这种迟钝的状态。
某些情况下，有些没有高苏醒时间百分比的DSO提供了一种(实际上)增加其百分比的方法，而不用使用专门的波形处理ASIC。大多数制造商将这种模式叫做分段存储，不过有些制造商使用的名称是Fastframe或快速采样。假设示波器的波形存储器深度为100MB/通道。分段存储能够将这个存储器划分为多个较短的区段。
举例来说，你可以将存储器划分为深度为1MB/通道或其它一些方便数值的区段。然后，示波器就可以每通道采样100个扫描，然后开始做波形处理。因此，如果你正在捕捉高速连续出现的信号，则示波器将几乎无间断地感知到触发。它的缺点是，在所需的采样速率下，代表一个波形的采样数量不得超过所选择的分段深度。
参考文献
1.Lim,Jit,“Understandingtheimpactofdigitizernoiseonoscilloscopemeasurements,”EDN,April7,2011,pg18.
2.Nelson,Rick,“Vendorstargetoscilloscopesweetspot,”EDN,Sept9,2010,pg30.
3.“TheImpactofDigital-OscilloscopeBlindTimeonYourMeasurements,”RohdeandSchwarzGmbH,August2010.
4.Strassberg,Dan,“InPICshalvejitter,doubletrueanalogbandwidthofreal-timedigitalscopes,”EDN,May13,2010,pg14.
5.Rowe,Martin,“Handheldoscilloscopesoffervariedfeatures,”EDN,Nov8,2007,pg85.
6.“AnalogandDigitalFilteringforAnti-Aliasing,”MicrostarLaboratories.
附文1：
采用矩形滤波器
混叠会在一个信号记录里创造出原信号中不存在的频率分量。一旦混叠分量成为了记录的一部分，就无法轻易地将其从实际信息中区分开来；因此，就无法可靠地将其去除。有一种常见的误解是，如果信号的-3dB带宽小于采样速率的一半，则混叠就不会出现。为避免混叠，采样速率必须至少是fLSB的两倍，后者是最高信号频率成分，其波幅不大于ADC的LSB。多倍频程都可以将fLSB与-3dB频率区分开，一般fLSB更高。
为了利用高阻带插入损耗的优势，你可能会喜欢一种矩形抗混叠滤波器的概念，它在通带与阻带之间，表现为过渡频段内的陡峭的衰减-频率特性。然而，在宽带实时采样应用，如高性能的DSO(数字存储示波器)中，矩形抗混叠可能只适用于那些过采样的情况，此时示波器会在LSB频率的周期内，获取两倍以上的采样。高性能的实时采样DSO采样频率都超过20GHz，采样频率与-3dB频率范围之比大约为2:1到3:1之间。虽然带有100G采样/秒以上能力ADC的实时示波器最近已经出现，但还不可能造出能做到实时200G采样/秒的物理ADC。因此，在这些高性能DSO中，矩形抗混叠滤波器的唯一可行候选者似乎就是支持RETS(随机等效时间采样)的仪器了，这种方式有时也叫做随机交互采样(见附文“往屏幕的路上发生的趣事”)。RETS只采样重复的信号，而不需要周期性的信号，它创建的波形记录可模仿能由ADC产生的记录，实时速率远高于任何现有设备。
RETS既不针对每一位设计者，也不针对所有应用；在使用它以前，必须知道它可能会出现意想不到的错误。此外，矩形滤波器都是基于DSP的，只能用于数字域，这也是一个实际的问题。所以，它们处理的数据必须是数字格式，这意味着矩形滤波器必须跟随在ADC后面，而不能在前面。重构滤波器则不同；示波器可以包含一个基于DSP的矩形重构滤波器，而有矩形特性的重构滤波器在高性能示波器中很常见。不过，对于要在ADC性能极限处做采样的情况，则抗混叠滤波器必须是模拟电路。
这些滤波器会影响到你观测到的波形。如果你想知道自己的SUT(待测系统)如何处理非常快的信号边沿，则应关注示波器的重构滤波器特性。换句话说，你所观察到的步进响应对示波器响应的关系要高于与SUT响应的关系。
多年来，重构滤波器的标准一直是高斯响应，它在所有通带频率上都对应一个恒定的时间延迟，并且当信号频率增加时，需要一个平缓滚降的正弦波幅响应。不过，现在有些示波器制造商提供了一些可选的重构滤波器特性；你可以选择最适合于测量的滤波器特性。高斯滤波器可能会减慢显示的上升时间，而正确选择的矩形滤波器则不会有这种效果。但与高斯滤波器不同的是，矩形滤波器会带来自己本身的伪像，即在信号过渡开始前的明显前冲，以及结束后的过冲。为了让两种情况下都有最佳效果，重构滤波器甚至可以在过渡带中有矩形特性时，有恒定的较低频率的延迟。
专家们认为，前冲(这是在激励到达SUT以前，对激励的一个响应)是一个纯粹的数学杂质，真实的物理系统中不可能存在，而过冲通常是真实的，虽然示波器上显示的过冲可能未必准确表示了SUT的实际响应。示波器可能带来杂波，从而导致眼图测试的错误结果，而眼图测试是一种广泛用于估测数据传输通道BER(误码率)的技术。
附文2：
往屏幕的路上发生的趣事
一个DSO(数字存储示波器)的波形记录包括一系列模拟采样的数字表示，其中每个采样都对应于某个时刻的信号电压。相等的时间量将每个时间与其前后的时间分隔开来。即使在示波器未顺序地捕捉采样时，这种描述也适用，例如，示波器可以使用RETS(随机等效时间采样，亦称随机交互采样)方法，使其有效采样速率超出最大实时采样速率(参考文献1)。用RETS时，示波器能在多次波形重复期间获得采样，并保持精确地跟踪大多数最新触发事件后捕捉每个采样的时间。然后，示波器会将这些采样排列起来，使之看来就像在一次波形重复期间顺序捕捉的一样。
略微思考一下就会发现，必须对简单的波形记录(即记录点数少于显示器上的像素栏数)做些处理，才能提供有意义和易于判读的显示。如果示波器将未经处理的采样直接显示到屏幕上，则各个采样会构成一串点。要将它们变成可识别的波形，示波器必须将这些点转换为一系列紧挨着的两两互连的曲线线段(参考文献2)。
在密度频谱的另一端，一个波形记录的采样数可以大大超过显示的像素栏数。示波器实现这种可能性的方法是水平横滚多个屏幕宽度，以看到完整的记录。这种方法对于观看特写视图非常好(也很必要)，但大多数示波器用户还是希望看到全图；他们希望不滚动就能看到完整的记录。
为了让长记录显示在一个相对较窄的屏幕上，示波器必须将多个采样结合到单个像素栏上。在很久以前，示波器会把要在一个像素栏中显示的一组采样从最低值到最高值全部点亮。结果就得到一个又亮又粗的轨迹，示波器用户对此很反感，因为无法看出多个发光像素点亮的频率。解决方案是用每个像素的亮度或颜色来表示其“常用性”。这种亮度级或颜色级的显示屏包含更多信息，更易于理解，但示波器要提供这种显示则要完成更复杂的数学运算。数学运算要花时间，这就降低了显示刷新速率。所幸的是，在定制ASIC中实现的计算能够获得更高的刷新速率，虽然增加了信息的密度。
参考文献
1.Pupalaikis,PeterJ,“Random-interleavedsampling(RIS),”LecroyCorp.
2.“WaveformReconstruction(Interpolation),”AgilentTechnologies.
附文3：
哎呀！我的示波器不显示了
如果你正在寻找瞬息即逝的异常波形，示波器制造商会帮你做一些计算，让你的生活更简单轻松。现代数字示波器有相当大的计算能力，它们也了解你做的各种设置，以及它们对PAT的影响，你只需要知道示波器要花多少时间才能捕捉到足够的数据，才能提供预设的可信水平，从而采集到希望看到的隐藏波形。你需要提供的唯一信息就是出现这种隐藏情况的大致平均速率。(正如附文“排除触发—一种有价值的功能吗？”中所述，你甚至不必给出异常波形。)然后，示波器会显示一个估算的异常波形捕捉时间表，以及与每个时间相应的捕捉概率。接下来，你可以要求示波器开始一个采集，其持续时间是表中所列的某个值，或者给出一个表中未列出的采样时间。如果是后者，则示波器会对待定波形的至少一个实例，给出其捕捉的概率，或者，如有足够长的采样时间，则报告可能捕捉到的波形实例数量。然后经过认可后，示波器就开始采集。另外一种方法是，你可以调整一些参数(如扫描时间或采样速率)而获得新的估算值。现在市面上的示波器似乎并非都能提供这种功能，但增加此功能也不算什么不可能的任务。
附文4：
排除触发
是一种有价值的功能吗？
多年前，一家数字示波器制造商提供了一种名为排除触发的功能。本附文讨论了一种也可以叫做排除触发的特性，但它与前面的那种不同。原有排除触发技术的说明表示，你可以设定为当信号周期超出某对已设定极限时(开始于A前；结束在B后)，示波器触发。采用这种排除触发方法，可以调试那些出现间隔不可预知的故障。你知道系统正常工作时关键点的波形样子，并且确知当系统异常时，有些波形会出现明显的差异。问题是，虽然你尽了最大努力，但仍不能观察到或捕捉到一个异常波形。
新方法要求围绕一个波形设置一个波幅遮罩的能力，即建立一个围绕波形的高、低电压极限值，波形沿着X(时间)轴的每个点分布通常处于极限值之间。换句话说，在示波器的显示屏上，可以选择一个称为正常的波形，以及围绕波形构成一个带的遮罩区。可以调整遮罩带的高度(厚度)以及调整这个带，使得它在垂直轴上不是完美地处于正常波形中心。在接下来的测试中，示波器的存储器将不保留那些完全落入遮罩带内的波形。只有那些处于带外的波形才得到保留。测试后，示波器的波形存储器将包含一系列信号，它们事实上就是异常信号。示波器还可以包含每个异常波形发生的时间与日期，以及波形在(异常与正常)测试期间示波器所评估出的波形序列中的位置。
如果所有异常波形的表现都相似，那么你就有一个需要研究和纠正的异常情况了。如果有几种类型的异常波形，则可能需要找到原因，逐个排除。
附文5：
DPX，最初的高波形数/秒技术
大约十多年前，Tektronix公司推出了DPX(数字荧光技术)，这是一种增加DSO(数字存储示波器)显示刷新速率的创新方案(参考文献1)。该公司继续在自己的中端和高端示波器中提供这一技术，并使之成为了基于DSP的RTSA(实时频谱分析仪)系列产品的基础。
DPX采用一片定制ASIC，在示波器存储器中建立了一个亮度级或颜色级的像素图，但采用的是一种独特的方法：新进入的采样直接放入图中，其中用一个寄存器或一个容器表示每个像素；容器存储一个数字，该数字对应于自最近的触发事件以来像素所受到的撞击数。当工作在DPO(数字荧光示波器)模式时，示波器并不保存顺序记录的采样值，因此避免了大量的显示生成开销，使刷新速率保持在可用的最大值，对Tek公司最高性能的示波器机型，这个刷新速率大约为30万波形/秒。
但是，几乎从其诞生开始，DPX就招来了竞争对手的反击，他们不能复制这个技术，否则会产生对Tek专利的侵权。批评人士并非完全不公正：顺序采样记录的损失妨碍了有用的采样后分析。用户必须决定是将示波器用作一台普通机型，还是一台DPO，并且在做出决定后就不能更改，直到开始一次新的采集为止。DPO模式主要是对短记录有用处。如果希望捕捉长记录，则应选择一款不同的机型。Tektronix公司称其示波器的DPO模式对于判断瞬时的异常波形是没有价值的；当你看到、保存及也许还印出了一张需要的图，就可以将示波器用做一台更普通的DSO，对已识别并确定特性的波形做触发，然后做所有想做的采样后分析(图4)。
参考文献
1.“SeeaWorldOthersDon’t:TheStoryBehindDPO,DPX,andWaveformCaptureRates,”TektronixInc,
