告別量測盲區：R&S® RTO 示波器如何解決數位盲時的根本挑戰

所有數位示波器都存在暫時性的盲時（Blind Time），在這段盲時期間，使用者將會錯過待測物 (DUT) 的關鍵訊號事件，因此，理解盲時對量測工作的具體影響至關重要。

何謂盲時？

有些人可能還記得 1980 年代初期推出的第一代數位示波器，它們不僅代表著一場巨大的技術革命，也為使用者帶來了典範轉移，使用數位技術帶來了波形後處理和永久資料儲存的優勢，但這也犧牲了顯示畫面的更新率。

隨著時間的推移，數位示波器取得了長足的進步，幾乎完全取代了類比示波器，但您對於數位示波器顯示的量測訊號究竟能信任多少？您是否意識到您的示波器在大部分時間裡都處於「盲目」狀態？這又將如何影響您在複雜設計中進行訊號故障除錯的能力？

數位示波器的架構

要理解盲時的來源，必須對數位示波器的架構有基本的認識，圖 1 顯示了數位示波器的典型功能區塊。

圖 1：數位示波器典型功能區塊圖

量測訊號從通道輸入端進入示波器，並在垂直系統中由衰減器或放大器進行訊號處理，接著類比數位轉換器 (ADC) 以固定的時間間隔對訊號進行取樣，並將對應的訊號振幅轉換為離散的數位值，稱為「取樣點」，擷取區塊會執行如濾波和取樣率抽取 (Decimation) 等處理功能，輸出的資料則以「波形取樣」的形式儲存在擷取記憶體中。

波形紀錄中的取樣數量由使用者設定的「紀錄長度」決定，依據使用者的需求，可以對這些波形取樣進行進一步的後處理，後處理任務包括平均等算術功能、有限脈衝響應 (FIR) 濾波等數學運算、上升或下降時間等自動量測，以及直方圖或遮罩測試等分析功能，其他的後處理範例還包括協定解碼、抖動分析和向量訊號分析。

對於數位示波器而言，對波形取樣執行的處理步驟原則上沒有限制，依據示波器的架構，這些後處理功能可透過儀器的主處理器以軟體方式執行，或使用專用的特殊應用積體電路 (ASIC) 或現場可程式化邏輯閘陣列 (FPGA) 在硬體中執行，最終的結果會呈現在示波器的顯示畫面上，一旦從訊號取樣到波形顯示的整個週期完成，示波器便準備好擷取新的波形。

盲時 — 數位示波器的一項特性

類比示波器的使用者習慣於在螢幕上看到幾乎所有的訊號細節，螢幕磷光體的輝光提供了自然的輝度暫留 (Persistence) 效果，可用於快速偵測訊號故障，類比示波器只需為下一次電子束掃描重置水平系統，而數位示波器則需要花費大部分擷取週期的時間來後處理波形取樣，在這段處理時間內，數位示波器處於「盲目」狀態，無法監測量測訊號，因此，數位示波器只能提供量測訊號的快照。

雖然許多數位示波器的使用者並未意識到示波器在大部分時間處於盲目狀態，但此特性對偵測到並最終顯示的訊號細節數量有著顯著的影響。

擷取週期、擷取率與盲時比率的定義

數位示波器的擷取與分析週期

有效擷取時間與盲時的比率是數位示波器的一項重要特性，它可以透過盲時比率或波形擷取率來定義。

公式 1：

舉例來說，若有效擷取時間為 100 ns，而盲時為 10 ms，則總擷取週期為 10.0001 ms，這導致盲時比率高達 99.999%，而波形擷取率則低於每秒 100 個波形。

大量資料—處理能力的挑戰

對於上述討論，一個很自然的想法是「讓我們打造一台處理能力更強、採用管線化架構的更快數位示波器」，然而，這樣的解決方案需要龐大的處理能力，例如，一台配備 10 GSa/s 的 8 位元 ADC 的數位示波器，每秒會產生 80 Gbits 的連續資料流，這些資料必須被即時處理並顯示，此外，通常還會對波形取樣應用 數位訊號處理 (DSP) 濾波、算術運算、分析功能及量測，這都需要額外的處理能力。

在實驗室環境中，目前要實現零盲時的即時處理對於數位示波器是不可行的，儘管如此，盡可能縮短盲時的需求仍然是一個合理的目標，因為工程師不希望錯過關鍵的訊號細節，並且需要大量的擷取波形以獲得可靠的分析結果。

量測我的示波器盲時

評估數位示波器實際波形擷取率及相應盲時的方法有很多種，由於波形擷取率會隨儀器設定而變化，因此評估必須在當前的量測條件下進行，有些示波器提供擷取計數器，其他則有直接的擷取率效能顯示，另一種方法是監測示波器的觸發輸出 (Trigger Out)，每一個上升邊緣都代表一次新的擷取，請務必確保訊號源包含的觸發事件出現頻率，高於預期的波形擷取率，否則量測結果將無法反映示波器的真實效能。

盲時的影響為何？

前面提供了一些關於盲時存在的背景資訊，接下來自然會問：盲時如何影響示波器的量測？示波器使用者期望對顯示的訊號有高度的信心與信賴，這包括對精確的時序與振幅呈現，以及對訊號行為的完整時間監測的期待。

不可見的訊號故障

在一個典型的測試情境中，使用者會執行一系列量測，試圖找出系統異常行為的根源，另一種情境可能是使用者試圖證明在多個訊號週期內操作皆無故障，對於這類應用，一個好的方法是使用標準的觸發事件，例如「邊緣觸發」，並啟用「輝度暫留」模式來監測訊號隨時間的變化，如圖 4 所示，此模式可用於以不同的亮度或顏色突顯罕見的訊號事件。

一旦使用者了解了訊號故障的形貌，他就可以使用適當的觸發條件重新開始擷取，例如突波寬度或矮波振幅，然而，這種兩步驟的方法僅適用於重複性的訊號行為，對於除錯未知的單一事件是不可行的。

另一方面，圖 3 顯示，在盲時期間發生的訊號事件將不會被擷取，因此也不會被顯示，它們對使用者而言是不可見的，偵測這類故障的唯一機會是，如果故障的訊號行為會隨時間重複出現，透過長時間的觀察，故障訊號行為與示波器有效擷取時間重疊的機率就會增加。

圖 3：在示波器盲時期間發生的訊號事件對使用者而言是不可見的

圖 4：透過輝度暫留檢視，罕見的訊號行為會被突顯，在此範例中，有時會出現矮波

盲時對量測的影響

數位示波器使用者必須意識到，他們的量測工具只觀察到訊號的一小部分，以下將討論盲時影響量測結果的幾個方面。

儀器反應速度

盲時最明顯的問題是儀器的反應速度，示波器使用者通常會增加時基 (Time Base)，以提高擷取到難以捉摸事件的機率，此時可能不明顯，但增加時基確實可以導致較短的盲時比率，不幸的是，更長的紀錄長度會導致擷取率降低，以及波形更新率大幅變慢，當需要在連續執行模式下調整儀器設定時，這會變得相當令人沮喪，每次需要重新擷取的設定變更後，使用者都必須暫停並等待該變更的結果出現在顯示畫面上。

罕見訊號故障的偵測

在需要尋找並分析罕見訊號事件的除錯過程中，盲時的影響最大，如前所述，訊號故障只有在擷取週期的有效擷取時間內發生時才能被顯示 (圖 3)，對於典型的數位示波器，有效擷取時間遠低於 1%，因此，使用者依賴於重複的訊號條件和長時間的等待，最終，示波器的有效擷取時間將會與訊號異常重合，較短的盲時有助於更快地偵測未知的訊號行為，關於罕見訊號故障對測試時間的影響，將下面進行更詳細的討論。

分析結果的信賴度

分析功能如量測、遮罩測試 (圖 5)、直方圖和 FFT 需要額外的處理時間，因此會延長每個擷取週期的盲時，波形紀錄長度越長，情況就越糟，許多這些分析功能是用於描述測試訊號的統計行為和最壞情況下的極限值，較長的盲時與收集大量波形以獲得具有高統計信賴度結果的需求相衝突，因此，長盲時對整體測試時間有直接影響。

圖 5：用於驗證實體層規範的遮罩或直方圖測試，需要大量的擷取波形才能獲得具統計信賴度的結果

數學、游標和縮放功能會降低擷取率 其他後處理操作，如波形算術、游標功能和縮放視窗也需要額外的處理時間，一旦啟用這些功能，數位示波器的擷取率通常會顯著降低，在固定的觀察時間內，納入分析並呈現在顯示畫面上的訊號細節就會變少。

擷取罕見訊號事件的測試時間

如前所述，數位示-波器僅擷取測試訊號的一小部分，因此會錯過在盲時期間發生的訊號細節 (圖 3)，假設錯過的訊號行為會隨時間重複，可以利用統計學來計算擷取並視覺化此類訊號事件所需的平均時間，接下來將提供更多關於擷取罕見訊號事件所需時間的詳細資訊。

計算擷取罕見訊號事件的統計測試時間 對於給定的波形擷取時間（即取樣數 × 解析度，或 10 × 時基）、給定的擷取率和給定的訊號事件率（例如突波的重複率），捕捉並顯示訊號事件的機率會隨著量測時間的增加而提高，其關係如下列公式：

公式 3：

其中：

• P：捕捉到罕見重複訊號事件的機率 [%]

• GlitchRate：訊號故障率（例如重複性突波） [1/s]

• T：有效擷取時間或波形顯示時間（紀錄長度 / 取樣率，或 10 × 每格時基） [s]

• AcqRate：擷取率 [wfms / s]

• t_measure：量測時間 [s]

為了計算在特定機率下所需的量測時間，可應用以下公式：

視覺化訊號錯誤所需測試時間的範例

假設一個訊號的錯誤以每秒 10 次的頻率重複出現，該訊號本身是一個資料訊號，在示波器上以 10 ns/div 的時基顯示，由於顯示畫面有 10 個水平格，可以計算出有效擷取時間為 100 ns，為了確保捕捉到目標訊號事件的高度信賴度，我們採用 99.9% 的機率，所需的測試時間現在取決於示波器的擷取率，下表顯示了幾種不同波形擷取率所需的測試時間。

擷取率	測試時間
100 wfms /s	19 小時 11 分 08 秒
10,000 wfms /s	11 分 31 秒
100,000 wfms /s	1 分 09 秒
1,000,000 wfms/s	7 秒

表 1：以 99.9% 的機率捕捉重複性訊號故障所需的平均測試時間 (T=100 ns, GlitchRate=10/s)

視覺化訊號錯誤機率的範例

下圖（圖 6）顯示了當訊號故障率為每秒 10 次時，所需測試時間的依賴關係，顯然，擷取率越高，在更短時間內捕捉到罕見訊號故障的機率就越高。

圖 6：捕捉罕見訊號事件的機率：每秒 10 次故障 (T=100ns: 1k 紀錄長度, 10 ns/div)

目前用以減少盲時的解決方案有哪些權衡取捨？

數位示波器的長盲時限制了對測試訊號的能見度，為了解決這個架構上的問題，已發展出多種策略。

採用深度記憶體的「單次擷取」

透過單次波形擷取，可以捕捉到一個連續的訊號序列，後處理在「單次擷取」執行後才進行，因此不會中斷訊號序列，最長的有效擷取時間取決於示波器的取樣頻率和擷取記憶體大小，以一個典型的 1,000 萬取樣點記憶體和 10 GSa/s 的取樣率為例，最長可連續錄製的時間為 1 ms，即使使用像 100 Msample 這樣的深度記憶體，在該取樣率下，連續觀察時間也僅有 10 ms，表 2 提供了一些依據取樣率和記憶體大小計算出的最長擷取時間範例。

取樣率	10 Msample	50 Msample	100 Msample
10 Gsample/s	1 ms	5 ms	10 ms
5 Gsample/s	2 ms	10 ms	20 ms
1 Gsample/s	10 ms	50 ms	100 ms
500 Msample/s	20 ms	100 ms	200 ms
100 Msample/s	100 ms	500 ms	1,000 ms
10 Msample/s	1,000 ms	5,000 ms	10,000 ms

表 2：最長擷取時間取決於取樣率和擷取記憶體大小

權衡取捨：

使用這種方法通常無法實現對訊號進行長時間觀察以監測未知的故障行為，即使在成功擷取到故障訊號事件的情況下，由於呈現的資料量極為龐大，要在顯示畫面上辨識出問題可能非常困難，甚至是不可能的。

專用觸發事件

1940 年代，觸發系統被發明用以獲得穩定的波形顯示，類比示波器的第一個觸發事件是「邊緣」事件，現代數位示波器提供多種觸發事件，以協助將擷取集中在特定的訊號行為上，一些範例包括突波寬度、矮波振幅或上升時間。

權衡取捨：

專用的觸發事件有助於隔離訊號故障，但挑戰在於使用者必須先知道需要哪種觸發事件，在除錯過程中，特定的訊號故障行為最初是未知的，儘管有些示波器支援學習程序來提供觸發建議，但仍需要手動介入來決定建議的觸發事件是否可用。

特殊擷取模式

為減少盲時，某些示波器支援特殊擷取模式，在這些模式下，可用的後處理功能會受到限制，以減少盲時並加快波形擷取率，其他方法則使用專用的處理路徑，繞過標準的擷取和處理區塊，僅專注於快速顯示波形像素，這類特殊擷取模式的目標是監測訊號，並透過特殊的顏色梯度（輝度暫留模式）突顯異常的訊號行為。

然而，這些特殊擷取模式帶來的高擷取率是有代價的，例如：功能受限，像是無法存取分析工具、示波器控制受限，或無法儲存波形資料等，都只是其中的一些例子。

權衡取舍：

使用這些特殊擷取模式需要一個兩步驟的方法，首先，使用者嘗試視覺化關鍵的訊號行為；第二步，使用專門的觸發事件再次捕捉該關鍵訊號事件，因此，第二步分析的訊號行為與初始監測步驟的訊號行為會有所不同，此外，在這種快速檢視模式下，分析功能不可用或受到限制，結合標準模式的處理任務仍然相當耗時。

無需特殊模式的更快擷取速度

最佳的解決方案是在示波器的標準操作模式下，加速擷取和處理，從而大幅減少盲時，如此一來，更短盲時的優勢便能與示波器的完整功能和分析能力相結合，大多數標準示波器的操作擷取率低於每秒 100 個波形。

權衡取捨：

在基礎到中階效能、頻寬 ≤ 1 GHz 的示波器中，有些機種能達到更高的擷取率，例如在 5 GSa/s 的最大取樣率下可達 ≤ 50,000 wfms/s，或在 2 GSa/s 的最大取樣率下可達 ≤ 95,000 wfms/s，然而，至今為止，對於頻寬 ≥ 1 GHz 等級的更高取樣率儀器，尚未有足夠的解決方案。

R&S®RTO 示波器的解決方案

R&S®RTO 數位示波器的設計目標，是在標準擷取模式下達到最小的盲時，接下來將更詳細地介紹 RTO 的架構及其相關優勢。

RTO 架構：為最小化盲時而設計

文中一開始的討論顯示，造成盲時的關鍵因素是資料處理和顯示準備，因此，RTO 架構著重於優化處理路徑和圖形控制器任務。

圖 7：RTO 示波器架構可將盲時降至最低

圖 7 說明了 R&S RTO 示波器的處理路徑，這些路徑都實現在一個專用的 ASIC 中，對於數位示波器而言，將來自 ADC 的取樣即時寫入擷取記憶體至關重要，不同示波器型號之間的差異在於能夠添加到此即時路徑中的處理能力。

例如，RTO 的擷取區塊在即時路徑中包含了時序校準 (Deskew) 功能、DSP 濾波器和數學通道組合器功能（加、減、反相），其內建的抽取 (Decimation) 區塊甚至可以依據不同的抽取運算（取樣、高解析度、峰值偵測、均方根值）平行輸出三個波形。

維持高資料傳輸量的關鍵在於使用大規模平行處理，RTO 的 8 位元 10 GSa/s ADC 每秒輸出 80 Gbits 的資料需要處理，在擷取區塊中，這些資料由 20 條平行路徑處理，從擷取記憶體到顯示器的處理路徑也由多條路徑（最多四條）組成，因此，即使在啟用額外的波形處理選項（如內插、數學運算等）時，也能實現極短的盲時。

RTO 在專用的 RTO ASIC 中執行大部分的波形處理和量測功能，與軟體處理的解決方案不同，這不需要 CPU 存取和相關的資料傳輸，透過這種架構，擷取記憶體之後的處理路徑能夠達到擷取記憶體之前即時路徑 1/5 的資料傳輸量，這理論上轉換為 20% 的有效擷取時間，在實際儀器中，當以 10 GSa/s 的最大取樣率操作時，由於資料處理的額外開銷，這個數字會降至 10%。

對於數位示波器而言，這是一個非常高的數值，次快的解決方案在使用特殊的快速顯示模式下，於 10 GSa/s 取樣率時僅能提供 0.5% 的有效擷取時間，而 RTO 則無需做出這樣的妥協，其他數位示波器的擷取速度更慢，有效擷取時間通常低於 0.01%。

此外，RTO 示波器還包含一個即時數位觸發系統，傳統方法是利用一個以類比電路實現的獨立觸發路徑，在這種情況下，兩條路徑（擷取和觸發）必須仔細對齊以將觸發抖動降至最低，這通常需要後處理技術來將觸發抖動降低到可接受的水平，在 RTO 中，擷取和觸發路徑是相同的，因此已經對齊，這使得即時觸發、低觸發抖動和高擷取率得以同時實現。

數位示波器中影響高擷取率的最後一個瓶頸是波形的圖形顯示，因此，RTO ASIC 還包含一個專用的圖形引擎，負責準備累積波形的像素表示以供顯示，為了適應整個 ASIC 的高資料傳輸量，RTO 採用了多個圖形引擎以交錯方式運作。

每秒一百萬次波形的最高擷取率

將多個高速處理路徑、數位觸發、圖形引擎和精密的記憶體控制器整合到單一 ASIC（圖 7）中，實現了最短的盲時和最高的擷取率，R&S RTO 示波器在以 10 GSa/s 的最大取樣率擷取 1000 個取樣點的紀錄長度時，能夠每秒擷取、處理和顯示一百萬個波形。

圖 8：RTO ASIC 以其高度整合的處理能力確保最短的盲時

如前所討論，擷取率取決於參數設定和應用的處理功能。

圖 9：R&S RTO：在固定解析度下的擷取率與盲時比率依賴關係

圖 10：R&S RTO：在固定紀錄長度下的擷取率與盲時比率依賴關係

圖 10 和表 3 揭示了一個對於快速偵測罕見訊號故障的重點：在固定的紀錄長度下，RTO 示波器在較慢的取樣率下，盲時百分比會進一步降低，從而能更頻繁地對訊號進行有效觀察。

應用提示：

盡可能從較低的取樣率開始，以更快地偵測罕見的訊號故障，在較低的取樣率下，盲時百分比較低，可提供更好的訊號覆蓋率。

這種行為的原因在於，在較慢的時基下，相同數量的取樣點對應於更長的有效擷取時間，而處理時間則保持不變。

取樣率	時基	擷取率	盲時
10 Gsample/s	10 ns/div	1,020,000 wfms/s	90%
5 Gsample/s	20 ns/div	1,020,000 wfms/s	79%
2 Gsample/s	50 ns/div	950,000 wfms/s	52%
1 Gsample/s	100 ns/div	707,000 wfms/s	29%
100 Msample/s	1 μs/div	92,000 wfms/s	8%
10 Msample/s	10 μs/div	9,500 wfms/s	5%

表 3：在固定紀錄長度下，盲時百分比隨取樣率降低而減少：RTO 示波器的量測範例 (1 通道、1000 取樣點、點模式)

高擷取率加速分析工具的結果產出

另一個優勢是，即使在結合分析功能時，也能維持高擷取率和短盲時，納入分析的波形越多，結果的統計信賴度就越高，憑藉高擷取率，所需數量的波形可以更快地被擷取，偵測到訊號故障並將其納入分析的可能性也隨之增加。

在 RTO 中，最重要的分析功能都已實現在 ASIC 中，由於擁有多個處理路徑，當這些分析功能啟用時，盲時仍然非常短，表 4 概述了 RTO 在執行特定分析功能時所能達到的最大擷取率，傳統示波器在啟用分析工具後，最大擷取率通常在每秒 100 到 1000 個波形之間。

分析功能	最大擷取率
無	> 1,000,000 wfms/s
直方圖	> 1,000,000 wfms/s
遮罩測試	> 600,000 wfms/s
游標量測	> 1,000,000 wfms/s
縮放	> 500,000 wfms/s

表 4：RTO 在啟用分析功能時的最大擷取率

圖 11 顯示了一個對擷取波形應用直方圖分析的範例，得益於其高擷取率，RTO 能夠在短時間內產生以大量波形為基礎的直方圖，這對於獲得可信的統計結果至關重要，在此範例中，擷取率達到了每秒超過一百萬個波形。

圖 11：即使在直方圖工具啟用時仍保持高擷取率，可在短時間內進行深入的統計分析

圖 12 顯示了另一個 RTO 高擷取率結合分析功能的範例，RTO 在數秒內即可完成具有高統計信賴度的遮罩測試，在此範例中，10 秒內擷取了 600 萬個波形，遮罩測試期間的擷取率超過了每秒 60 萬個波形。

圖 12：憑藉大量的波形數量，快速獲得具高統計信賴度的遮罩測試結果：R&S RTO 以每秒超過 60 萬個波形的速度執行遮罩測試分析

結論

所有數位示波器都存在暫時性的盲時，這會影響對所顯示訊號細節的信賴度，以及相應的量測和分析結果，R&S RTO 示波器憑藉其獨特的架構以及對擷取與處理功能的高度硬體整合，極大地減少了盲時。

此外，RTO 提供了全新水準的除錯與分析能力，因為即使在執行量測和分析任務時，擷取率依然保持在高水平，高擷取率和相應的短盲時所帶來的優勢包括：

• 快速偵測罕見的訊號故障

• 即使在使用深度記憶體和分析功能時，仍保有優異的儀器反應速度

• 量測結果提供高度的統計信賴度

• 縮短除錯與量測任務的整體測試時間

這些優勢，結合如數位觸發、高動態範圍 (ENOB) 和直覺的使用者介面等其他卓越特點，使 RTO 示波器成為您當前與未來開發工作的理想選擇。

訂購資訊

名稱	型號
數位示波器
1 GHz, 10 GSa/s, 20/40 MSample, 2 通道	R&S®RTO1012
1 GHz, 10 GSa/s, 20/80 MSample, 4 通道	R&S®RTO1014
2 GHz, 10 GSa/s, 20/40 MSample, 2 通道	R&S®RTO1022
2 GHz, 10 GSa/s, 20/80 MSample, 4 通道	R&S®RTO1024

基本單元 (內含配件：每通道 500 MHz 被動式電壓探棒 (10:1)、配件袋、快速入門手冊、含手冊的 CD、電源線)