关于USB 2.0实体层的测试和实际操作方式

参与USB 2.0装置设计、分析和验证工作的设计人员，每天都面临着缩短新产品上市时间的压力。选择适当的测试仪器，可使设计人员快速而精确地进行USB建置者论坛（USB Implementers Forum，简称USB-IF）建议的所有兼容性认证测试。

通用串行总线（USB 2.0）是一种连接技术规格，旨在连接计算机外面的周边装置，可在不打开计算机外壳下安装所需装置，免除了开机箱插卡的麻烦。USB兼容装置为使用者提供使用方便、扩充性和高传输速度。

USB 2.0技术已被今天的市场广泛接受，它将数据处理速率提升了40倍。数据处理量的增加为许多新型周边产品打开新天地，包括全动态视讯至辅助性的、只有钱包大小的硬盘机。但是，随着数据速率的急速升高，也出现了新的测试和量测方面的挑战。

USB 2.0规格推出了新的兼容性要求。在制造商将USB-IF「认证」标志卷标贴在产品包装之前，USB 2.0装置的设计人员必须恰当地鉴定其设计并检验产品是否符合业界标准。因此，恰当的测试工具对USB-IF兼容性测试极其重要，这些测试项目包括低速、全速和高速装置和集线器的眼状图和参数测试。

本文章将重点介绍USB 2.0实体层量测和电兼容性测试（电测试和高速测试）的解说与实际操作，并介绍各项测试所需的仪器。

USB 2.0的基本原理

USB 2.0是一种串行总线，使用4条线－VBUS、D-、D+和接地。D-和D+传送数据。VBUS为来自主机（Host）或集线器（hub）的电源。
USB 2.0规定了表1所列之速度选择和上升时间。
USB 2.0装置可以自行供电（有自己的电源供应器），由总线供电（电源来自主机），自行供电装置须尽量减少用电。USB 2.0规格中列有这方面的详细测试规格。
USB 2.0电测试
USB 2.0电测试包括讯号品质、峰值电流检查以及压降（Drop）和浮动（Droop）电压测试。
讯号品质测试
数据速率增加40倍后，虽然带来了许多好处 ，但也给USB 2.0兼容性装置供厂商带来了各种新的设计挑战。特别是在讯号品质问题方面，如电路板的布局、抖动、上升和下降时间、电磁场干扰（EMI）、噪声，和接地噪声（Ground bounce）等，都已成为最亟待解决的设计问题。保持讯号品质是保证USB 2.0装置合乎规格，并获得USB 2.0「认证」标志的关键之一。
讯号品质测试包括：
‧眼状图测试
‧讯号速率
‧封包结束（EOP）宽度
‧交叉电压范围
‧成对的JK抖动
‧成对的KJ抖动
‧连续抖动
‧上升时间
‧下降时间

眼状图测试对于串行数据应用可谓是绝无仅有的首次。

讯号品质测试在设定方面因上传（upstream）和下传（downstream）测试而不同。在上传测试中，撷取的是从客户端传输至主机的讯号；而在下传测试中，撷取的则是从主机传输至客户端的讯号。下传测试通常在集线器埠上进行。

在进行兼容性测试时，须设定最坏的USB 2.0联机方式，以确保有足够的测试容裕（margin）。待测装置将在第6层上测试，以确保涵盖最坏的情况。另外，集线器的每一级都被称为一层（tier）。待测集线器（HUT）需插在第5层，以便其在第6层上运行。

讯号品质测试需要实时示波器，如TDS7404数字荧光示波器（DPO）或TDS694C数字储存示波器（DSO），以及单端探棒（低速和全速）和差动探棒（高速），型号分别为P6243、P6245和P6248。另外，这种测试还需要测试软件和测试固定装置，如TDSUSB2兼容性测试软件。

图1所示为TDSUSB2兼容性测试软件在TDS7404 DPO上执行的情况。该测试软件可全面实现讯号品质测试程序的自动化，以使产品设计人员能够快速而简便地测试他们的设计。
使用者须针对某特定讯号速度（低速、全速或高速）先选择需进行的量测项目，然后根据层（即DUT的连接层）、测试点（DUT的测试点－近端或远程），以及传输方向（上传或下传测试）设定应用程序，如图2所示。在完成了这两步之后，使用者即可执行自动量测了。

这套测试软件可以免除费时的手动设定示波器、放置光标以及用USB 2.0规格比较测试结果的麻烦。如图3所示，能够自动以总结和详细报告形式显示量测结果。

峰值电流检查

由于USB 2.0是一种热插拔技术（无需关机，即可驱动），故须在设计方面非常小心，以确保装置汲取的电流量不超过特定的设限。如果汲取的电流量超过特定值，总线上连接的其它USB 2.0装置的运行则可能受到妨碍。自行供电的装置和由总线供电的装置都须进行峰值电流检查，以查核待测装置（DUT）在插入集线器埠时是否会汲取过多的电流。

在插入装置时，装置通常会瞬间汲取大量的电流。如图4所示，随后电流的汲取会进入衰减的过程。而且可能会观察到电流轨迹中的小突峰或扰动，程度取决于装置的重置时间。

在理论上，峰值电流检查包括计算在某段时间内的电流积分总量（以示波器上两个垂直光标的位置界定）。

USB 2.0规格规定在VBUS 数值为5.15V时，装置汲取的总电荷应该低于或等于51.5μC（此项测试的Waiver Limit为低于150μC）。

峰值电流检查需要实时示波器，如TDS7404 DPO或TDS694C DSO，以及电流探棒如TCP202。这种测试还需要测试软件和测试治具 ，如TDSUSB2兼容性测试套件。TDSUSB2测试软件可自动设定示波器，以进行峰值电流检查。测试软件也提供总电荷（μC）读值功能，并能自动指示通过或失败（Pass/Fail）。

压降测试（Drop Test）

USB 2.0规格要求USB端口提供的VBUS在4.75和5.25V之间，由总线供电的集线器应保持4.4V或更高的VBUS。电压降测试在无负载和全负载（根据情况为100mA或500mA）两种条件下评估VBUS。

Vdrop = Vupstream - Vdownstream
Vupstream = VBUS at hubs upstream connection
Vdownstream = VBUS at one of hubs downstream port

当下传端口出现100mA的负载时，由总线供电的集线器必须在其下传和上传埠之间保持≦100mV的Vdrop。这项要求可保证集线器向下传装置提供4.4 V的电压。带电缆的总线供电装置必须在上传连接器和下传埠之间保持≦350mV的Vdrop，包括通过电缆时的压降。

压降测试需要万用表。TDSUSB2兼容性测试可辅助报告测试结果。可将万用表的量测结果输入TDSUSB2测试软件，向使用者提供汇整报告。

浮动电压测试（Droop Test）

在无负载及待测端口（PUT）有100mA负载的情况下（所有其它端口均为全负载），Vdroop 等于VBUS 电压之差。

USB 2.0规格允许的最大浮动电压是330mV。浮动电压测试检测最坏情况下的浮动电压，所用方法是对待测埠交替实施100mA的负载和无负载条件，而所有其它埠则均提供最大的负载。所有 VBUS 量测值都相对于本机接地。

浮动电压测试需要实时示波器，如TDS7404 DPO或TDS694C DSO，以及单端探棒，如P6243或P6245。此外，这种测试还需要测试软件和测试治具，如TDSUSB2兼容性测试套件。

TDSUSB2测试软件能够自动根据测试条件设定示波器。该应用程序可用于撷取讯号，提供Vdroop 量测值，并随后提供通过/失败（Pass/Fail）信息以及详细的测试结果。

USB 2.0高速测试

基本上，USB 2.0装置的兼容性测试严格遵循了USB 1.1装置的兼容性测试协议。主要增加的部分与USB 2.0高速模式有关。高速模式给USB装置的设计增加了新难度。USB 2.0的高速测试包括接收器的灵敏度、CHIRP、单调性（Monotonicity）和阻抗值量测测试。

接收器灵敏度测试

如果需要在嘈杂的环境中增加作业的可靠性，一台USB 2.0高速装置必须在讯号位准等于或超过特定位准时以NAKs响应IN tokens（注1）。测试要求把DUT安置在Test_SE0_NAK模式。然后由DG2040替代主机继续传输IN tokens。向DUT提供的讯号振幅为150 mV或超过该位准。在这些位准上，DUT须处于非静音模式，以NAK响应IN封包。然后将讯号振幅减至＜100mV，在这个位准上，DUT须处于静音模式（squelched），不以NAK响应IN tokens。

接收器灵敏度测试需要使用实时示波器，如TDS7404 DPO或TDS694C DSO，以及能够传输不同振幅IN tokens的高速数据讯号源，如DG2040。测试还需用差动探棒，如P6248，以及测试软件和测试治具，如TDSUSB2兼容性测试套件。

图5所示为用TDS7404 DPO和DG2040数据产生器做此测试时的设定。TDSUSB2测试组件可提供接收器灵敏度测试所需的各种测试设定以及DG2040所需的各种测试模式。

CHIRP测试

CHIRP（动态频移或跃频）测试的目的是在速度检测协议中检查上传和下传埠的基本时序和电压。对集线器而言，上传和下传埠都必须进行CHIRP测试。
在做CHIRP测试时，先热插拔DUT，然后用单端探棒在两条讯号在线量测讯号传输情况。数据分析包括：CHIRP K振幅、CHIRP K时间、重置时间、高速终端前的KJ对数量以及装置实施的终端前在KJKJKJ后的延迟。

图6所示为用TDS694C DSO做CHIRP测试时所得波形及其参数之说明。

CHIRP测试需要使用实时示波器，如TDS7404 DPO或TDS694C DSO，以及单端探棒，如P6243或P6245。另外，测试还需要测试软件和测试治具，如TDSUSB2兼容性测试套件。

以手动方式分析各种CHIRP类型和条件是一个颇耗费时间的过程。TDSUSB2测试软件不仅可使这一分析过程自动化，还能自动记录分析结果。
单调性测试

在进行USB 2.0高速兼容性测试时，研发人员需要检查所测试的讯号是否为单调性讯号。单调性测试的目的是核对传输的讯号在振幅的平滑增加或减少，没有偏差至反方向。非单调性讯号活动的起因通常源于电路中的介稳态（metastability）、高频噪声以及抖动问题。图7使用一个上升时间为500ps的USB 2.0高速讯号，对单调性讯号和非单调性讯号进行了比较。

若需检查讯号的单调性活动，所用示波器应具有足够高的取样率，以尽可能多地撷取上升或下降边缘上的取样点。此外，示波器还应有足够的频宽，以确保原始讯号真实重现。因此，具有10 GS/秒取样率和3或4GHz频宽的示波器，如TDS694C DSO或TDS7404 DPO才是单调性测试所需的理想工具。

单调性测试还需具备测试软件以及测试治具，如TDSUSB2兼容性测试套件。在对封包数据检查期间，我们对一台USB 2.0装置进行了单调性测试检查。如图8所示，TDSUSB2兼容性测试软件在撷取到封包数据后，将对每一个上升和下降边缘是否符合单调性进行检查。如图9所示，该项设定采用了高速讯号品质测试的设定。TDSUSB2兼容性测试软件加上一台高性能的示波器，就可使这一测试过程自动化，并可确保测试结果的重现性。

阻抗量测值测试

由于USB 2.0模式的高速率，故使线路和封装的阻抗变成了举足轻重的关键参数。USB 2.0规格现已要求对电缆、组件和装置进行差动阻抗量测。

USB 2.0规格要求：差动TDR阻抗步阶响应须设定为400ps。USB规格界定了由DUT连接器为参考点的阻抗上下限。总而言之，连接器在一定距离内，阻抗应在70Ω和110Ω之间。另要求电缆也须符合特定的阻抗范围。这些设限要求为90Ω±15%。

阻抗量测值测试需用一台时域反射仪（TDR），如配备有80E04 TDR取样模块的TDS8000数字取样示波器。这种示波器和取样模块可同时在八个通道上提供无可比拟的TDR性能。

图10所示为用TDS8000数位取样示波器所做的TDR量测。测定的最小值和最大值在USB差动规格的90Ω±15%边缘之内。

USB 2.0实体层测试对仪器的要求

USB 2.0的新规范扩充了位的传输速率，打开了全新USB消费应用的新领域，让个人计算机在使用上更加容易，成为人们工作和家庭生活中不可或缺的工具。在消费产品商机方面，上市时间极关重要。从事USB研 发的设计人员深知，正解的工具有助于达成产品设计时间表的挑战。最关键的仍然是示波器的频宽、上升时间和取样率，以及测试治具和全自动测试软件。

适用于USB 2.0实体层测试的工具

实时示波器

对USB 2.0量测工作而言，实时示波器是最重要的测试仪器。在为量测工作选择示波器时，应着重考虑示波器的上升时间、频宽和取样率 。以下几节分别介绍了实时示波器应具有的性能特点。

示波器频宽／上升时间对于量测精确度的影响

示波器在上升时间方面的需要直接取决于待测讯号的上升时间。下面的经验公式表明了测定的上升时间 [RT（measured）] 、示波器上升时间 [RT（oscilloscope）] 和讯号上升时间 [RT（signal）] 之间的关系：

RT（measured）= ( [ RT（signal）2 + RT（oscilloscope）2 ]

表3基于这一关系公式说明了错误的百分比变化，与示波器上升时间和讯号上升时间之比的关系。

当示波器的上升时间规格5倍于讯号时，错误降至1.8%。然而就讯号而论，较低频的示波器上升时间将意味着量测值有较高的错误。因此，为了测定上升时间为500ps的讯号，所用示波器的上升时间最好为100～120ps，如TDS7404 DPO或TDS694C DSO方为理想的示波器。

示波器取样率对测试的影响

要想在500ps的快速边缘上撷取到信息，一个边缘至少需要有10个取样点。在进行高速测试所必须的单调性测试时，这一要求变得更为重要。 时域反射仪阻抗量测值测试需要时域反射仪。TDS8000数字取样示波器和80E04 TDR取样模块可提供实际差动时域反射（TDR），是 USB 2.0装置和电缆阻抗量测所需的理想解决方案。该示波器和取样模块能够显示差动线路的正向与负向TDR波形，并能直接量测每个导体的阻抗或差动线路的共模电压。这套测试系统还能显示这两种线路的实际差动量测值，并以ohms单位显示阻抗，不论使用者验证何种USB 2.0装置，都可为其提供所需的量测值。

讯号源
接收器灵敏度测试需要讯号源。DG2040是一种1.1GHz的低抖动数据产生器，经简单程序化后便可输出符合USB 2.0标准的高速数据。双信道输出可使USB装置使用非标准的差动信号（Signaling）。

测试治具
测试治具是极为重要的组件，用于为各种测试设定提供探棒的插座。理想的测试治具应能接入差动资料线路（D+、D-和VBUS），并能透过电路板的USB连接器或联机的连接头提供接驳/连接。

对接收器灵敏度测试而言，使用者需用SMA电缆将数据产生器与数据线路相连，产生讯号至测试设备。同时还需为TDR量测装置准备接入电缆，以便进行阻抗量测。

测试软件

测试软件分为全自动测试软件、半自动测试软件和手动测试，使用者可根据各自的需求进行选择。

全自动测试软件
全自动测试软件（如TDSUSB2兼容性测试套件）可通过自动示波器设定、自动高速测试以及快速「单按钮」测试等方式显著改进测试效率。该测试软件可大大地减少测试时间和任何量测失误。

半自动测试软件
不言而喻，这种解决方案只自动进行某些测试项目，部份测试步骤仍需人为操作，自然会降低工作的效率。 有些仍需以手动方式进行测试的例子，包括接收器灵敏度、CHIRP和单调性测试等高速兼容性测试项目以及上升和下降时间的计算。 手动测试 以前，研发人员一直使用MATLAB scripts进行兼容性测试。在使用MATLAB scripts时，使用者必须以手动方式完成整个测试过程，包括设定示波器、准确放置光标、把撷取的讯号转换为.tsv文件储存，以及执行MATLAB script。 由于测试和设定工作较为复杂，故测试工程师要掌握大量的专业知识。同时，由于示波器的设定每次都可能因测试项目的不同而要不断地改变，所以示波器的设定往往是最枯燥乏味而又耗费时间的任务。使用者被迫要不断地参照大量的测试程序文件，这不仅使测试工作变得艰难，而且也大大地降低了作业效率。

探棒
探棒是量测系统进行各种USB 2.0兼容性测试所必须的重要组件。Tektronix提供的差动探棒（P6248）、单端探棒（P6243、P6245）和电流探棒（TCP202），可用于极细微的高密度电路板和难以点到的组件，并可保持最大的讯号纯真度。

结论

USB 2.0技术的推出使数据速率提升了40倍。这项技术为装置设计师开辟了一条迁移途径，可使高性能外围装置继续保持消费者所要求的易于使用的特点。然而数据速率的大幅提高也给装置设计师带来了必须解决的新设计挑战。

有关 IN tokens和NAK的详细信息，请参阅USB 2.0规格。