技術文章
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用示波器測量通用串行總線 (USB)
普通人從小就接觸電腦,，熟悉 USB 電纜的外觀和感覺,，并且通常知道分別插入主機和外圍設備端口的 A 型插頭和 B 型插頭之間的區(qū)別。眾所周知，現(xiàn)在無處不在的手機或數(shù)碼相機等小型設備需要帶有迷你和微型插頭的專用電纜,。
與同軸電纜和以太網(wǎng)電纜一樣,，USB 協(xié)議允許提供電力和數(shù)據(jù)。不同的端 A 和 B 插入計算機或其他設備中的相應插座,。A 端是標準的,，而 B 端可能是標準的、迷你的或微型的,。
USB 起源于 1994 年,，由 Compaq、DEC,、IBM,、Intel、Microsoft 和 Nortel 共同開發(fā),。Apple Inc. 的 IMac 是 USB 的早期實現(xiàn),，其驚人的成功促使 USB 被廣泛用于許多其他產(chǎn)品,。Apple 和主要 PC 制造商很快淘汰了舊式數(shù)據(jù)/電源端口，USB 很快便普及開來,。
USB 3.0 規(guī)范于 2008 年頒布,。2010 年發(fā)布了采用新技術的新一代設備，該技術提高了數(shù)據(jù)傳輸速度,、降低了功耗,、提高了功率輸出并具有向后兼容性。USB 3.1（有時稱為 USB 3.1 Gen 2）于 2013 年問世,。它將 USB 3.0 的速度提高了一倍,，達到 10 Gbps（現(xiàn)在稱為 SuperSpeed+ 或 SuperSpeed USB 10 Gbps）。USB 3.1 向后兼容 USB 3.0 和 USB 2.0,。
USB 分配系統(tǒng)采用星型結構而非菊花鏈拓撲結構,，并且是不對稱的。這意味著電纜的兩端并不相同,，無論是終端類型還是數(shù)據(jù)和電流流,。有許多下游端口允許連接外圍設備，這些設備可以同時處于活動狀態(tài),。與電話線不同,，USB 電纜不能拼接。分支線必須通過 USB 集線器以以太網(wǎng)的方式分層,。最多 127 個設備（包括集線器）可以連接到單個主機,，對于計算機來說，該主機可能包含一個根集線器和幾個端口,。相比之下,，示波器通常配備單個端口，可用于將儀器聯(lián)網(wǎng)或接受鍵盤或單個閃存驅動器以保存波形和/或設置,。
USB 設備通常包括協(xié)同工作的子設備,。例如，網(wǎng)絡攝像頭是一種復合設備,，包含麥克風,，與視頻部分分開。還有一種復合設備,，由兩個或多個獨立實體組成,，這些實體內(nèi)置于相同的物理外形中。
USB 連接的基本單元是管道,，即邏輯通道,。管道從主機控制器連接到端點，端點是位于設備內(nèi)的單個邏輯輸入,。每個管道都有一個端點,?？梢韵胂螅粋€設備上最多可以有 32 個端點,，管道數(shù)量也相同,。
管道可以分為流管道和消息管道，兩者的主要區(qū)別在于消息管道是雙向的,，具有控制功能，而流管道則是單向的,。
為了啟動數(shù)據(jù)傳輸會話（USB 的一半功能是數(shù)據(jù)傳輸,，另一半功能是電源），主機會傳輸一個令牌包,，該令牌包指定帶有端點的管道,。主機可以發(fā)送一個包含目標設備地址和端點號的 Out 數(shù)據(jù)包。另一方面,，如果信息流是從設備流向主機,，則會發(fā)送 In 數(shù)據(jù)包。如果令牌包因移動方向錯誤而不合適,，則會被忽略,。
USB 枚舉過程始于設備首次連接到主機時。然后向設備發(fā)送重置信號,。這決定了整體數(shù)據(jù)速率,。隨后，設備接收其地址并將其發(fā)送到已配置的狀態(tài)?，F(xiàn)在將枚舉所有連接的設備,。與其他某些總線類型不同，主機獨自引導信息流,。如果沒有這種復雜性,，設備就無法發(fā)送數(shù)據(jù)。
由于 USB 電纜不僅傳輸電力,，還傳輸數(shù)據(jù),，因此兩端必須配備不同的、不兼容的連接器,。這是必要的,，這樣兩個電源（如極性相反的主機）就無法相互連接，否則會導致直接短路并產(chǎn)生很大的故障電流,。
USB 連接器的設計使得插頭處的外部護套在電纜內(nèi)的四根導線接觸之前進行電接觸,。護套連接到系統(tǒng)接地。這減輕了連接器附近外部的電磁干擾,，因為連接器附近無法保持緊密的導線絞合率和差分信號,。由于引腳的長度,，電源和接地連接在數(shù)據(jù)連接之前進行，因此可以安全地完成熱插拔,。
例如，泰克的一款軟件包用于自動執(zhí)行 10 Gbps USB 3.1 Gen 2 BER 輪廓測試,，可運行發(fā)射機和接收機測試,。它可自動運行 DUT 控制和模式驗證，以捕獲所需的數(shù)據(jù)模式（CP0,、CP1,、CP9、CP10 等）,，并自動執(zhí)行規(guī)范性和信息性發(fā)射機測試,。它還可報告 PDF、MHT 和 CSV 格式的測試裕度,、通過/失敗結果和圖表的詳細信息,。
USB 接收器測試軟件可以運行錯誤分析工具（如模式排序和錯誤位置分析），幫助查找誤碼原因,。它還將執(zhí)行基于 BERT 的抖動容限測試,，并模擬不同的通道長度和電纜組合。
低端示波器也可以運行 USB 測試,，但可能不具備同等程度的自動化,。此外，值得注意的是,，USB 3.1 規(guī)范的測試要求示波器帶寬至少為 16 GHz,，以便準確測量所涉及的 10 Gb/秒數(shù)據(jù)速率。
USB 使用差分傳輸對傳輸數(shù)據(jù),。差分 1 的傳輸方式是,，使用 15 kΩ 電阻將 D+ 線拉至 2.8 V 以上，使用 1.5 kΩ 電阻將 D- 線拉至 3.6 V 以下,。差分 0 的傳輸方式是,，使用相同的下拉/上拉電阻，將 D- 傳輸為大于 2.8 V,，將 D+ 傳輸為小于 0.3 V,。
請注意，示波器探頭接地必須是 USB 接地,。將示波器接地后,，單通道示波器可以監(jiān)控 D+ 或 D-。雙通道示波器可以監(jiān)控兩者,，數(shù)據(jù)傳輸時應該可以看到相位反轉。一個通道連接到 D+,，另一個通道連接到 D-,。兩個探頭的接地夾相互連接。然后顯示信號,，使它們相減 (XY),，因為 USB 是差分信號。
這就是普通用戶需要了解的有關 USB 的全部內(nèi)容。但實際上,，現(xiàn)在這種全雙工信息通道背后隱藏著相當多的技術,。USB 線的外觀相似，但仔細觀察就會發(fā)現(xiàn)不同,。除了各種不兼容的連接器外,，還有五種數(shù)據(jù)傳輸類型：低速（1.00 版）、全速（也是 1.0 版）,、高速（2.0 版）,、超高速（3.0 版）和超高速 +（3.1 版）。每種模式都需要不同的電纜和硬件,。
與同軸電纜和以太網(wǎng)電纜一樣,，USB 協(xié)議允許提供電力和數(shù)據(jù)。不同的端 A 和 B 插入計算機或其他設備中的相應插座,。A 端是標準的,，而 B 端可能是標準的、迷你的或微型的,。
USB 起源于 1994 年,，由 Compaq、DEC,、IBM,、Intel、Microsoft 和 Nortel 共同開發(fā),。Apple Inc. 的 IMac 是 USB 的早期實現(xiàn),，其驚人的成功促使 USB 被廣泛用于許多其他產(chǎn)品,。Apple 和主要 PC 制造商很快淘汰了舊式數(shù)據(jù)/電源端口，USB 很快便普及開來,。
USB 3.0 規(guī)范于 2008 年頒布,。2010 年發(fā)布了采用新技術的新一代設備，該技術提高了數(shù)據(jù)傳輸速度,、降低了功耗,、提高了功率輸出并具有向后兼容性。USB 3.1（有時稱為 USB 3.1 Gen 2）于 2013 年問世,。它將 USB 3.0 的速度提高了一倍,，達到 10 Gbps（現(xiàn)在稱為 SuperSpeed+ 或 SuperSpeed USB 10 Gbps）。USB 3.1 向后兼容 USB 3.0 和 USB 2.0,。
USB 分配系統(tǒng)采用星型結構而非菊花鏈拓撲結構,，并且是不對稱的。這意味著電纜的兩端并不相同,，無論是終端類型還是數(shù)據(jù)和電流流,。有許多下游端口允許連接外圍設備，這些設備可以同時處于活動狀態(tài),。與電話線不同,，USB 電纜不能拼接。分支線必須通過 USB 集線器以以太網(wǎng)的方式分層,。最多 127 個設備（包括集線器）可以連接到單個主機,，對于計算機來說，該主機可能包含一個根集線器和幾個端口,。相比之下,，示波器通常配備單個端口，可用于將儀器聯(lián)網(wǎng)或接受鍵盤或單個閃存驅動器以保存波形和/或設置,。
USB 設備通常包括協(xié)同工作的子設備,。例如，網(wǎng)絡攝像頭是一種復合設備,，包含麥克風,，與視頻部分分開。還有一種復合設備,，由兩個或多個獨立實體組成,，這些實體內(nèi)置于相同的物理外形中。
USB 連接的基本單元是管道,，即邏輯通道,。管道從主機控制器連接到端點，端點是位于設備內(nèi)的單個邏輯輸入,。每個管道都有一個端點,?？梢韵胂螅粋€設備上最多可以有 32 個端點,，管道數(shù)量也相同,。
管道可以分為流管道和消息管道，兩者的主要區(qū)別在于消息管道是雙向的,，具有控制功能，而流管道則是單向的,。
為了啟動數(shù)據(jù)傳輸會話（USB 的一半功能是數(shù)據(jù)傳輸,，另一半功能是電源），主機會傳輸一個令牌包,，該令牌包指定帶有端點的管道,。主機可以發(fā)送一個包含目標設備地址和端點號的 Out 數(shù)據(jù)包。另一方面,，如果信息流是從設備流向主機,，則會發(fā)送 In 數(shù)據(jù)包。如果令牌包因移動方向錯誤而不合適,，則會被忽略,。
USB 枚舉過程始于設備首次連接到主機時。然后向設備發(fā)送重置信號,。這決定了整體數(shù)據(jù)速率,。隨后，設備接收其地址并將其發(fā)送到已配置的狀態(tài)?，F(xiàn)在將枚舉所有連接的設備,。與其他某些總線類型不同，主機獨自引導信息流,。如果沒有這種復雜性,，設備就無法發(fā)送數(shù)據(jù)。
由于 USB 電纜不僅傳輸電力,，還傳輸數(shù)據(jù),，因此兩端必須配備不同的、不兼容的連接器,。這是必要的,，這樣兩個電源（如極性相反的主機）就無法相互連接，否則會導致直接短路并產(chǎn)生很大的故障電流,。
USB 連接器的設計使得插頭處的外部護套在電纜內(nèi)的四根導線接觸之前進行電接觸,。護套連接到系統(tǒng)接地。這減輕了連接器附近外部的電磁干擾,，因為連接器附近無法保持緊密的導線絞合率和差分信號,。由于引腳的長度,，電源和接地連接在數(shù)據(jù)連接之前進行，因此可以安全地完成熱插拔,。
USB 發(fā)射器和接收器規(guī)格的示波器測試可能相當復雜,。有標準波形用于表征 USB 電路的行為。高端示波器供應商（如Keysight和Tektronix）通常提供專門設計用于自動執(zhí)行大量 USB 測試的特殊軟件包,，這些示波器可用于 USB 的誤碼率測試 (BERT),。
例如，泰克的一款軟件包用于自動執(zhí)行 10 Gbps USB 3.1 Gen 2 BER 輪廓測試,，可運行發(fā)射機和接收機測試,。它可自動運行 DUT 控制和模式驗證，以捕獲所需的數(shù)據(jù)模式（CP0,、CP1,、CP9、CP10 等）,，并自動執(zhí)行規(guī)范性和信息性發(fā)射機測試,。它還可報告 PDF、MHT 和 CSV 格式的測試裕度,、通過/失敗結果和圖表的詳細信息,。
USB 接收器測試軟件可以運行錯誤分析工具（如模式排序和錯誤位置分析），幫助查找誤碼原因,。它還將執(zhí)行基于 BERT 的抖動容限測試,，并模擬不同的通道長度和電纜組合。
低端示波器也可以運行 USB 測試,，但可能不具備同等程度的自動化,。此外，值得注意的是,，USB 3.1 規(guī)范的測試要求示波器帶寬至少為 16 GHz,，以便準確測量所涉及的 10 Gb/秒數(shù)據(jù)速率。
USB 2.0 電纜和連接器的引腳排列,。
USB 使用差分傳輸對傳輸數(shù)據(jù),。差分 1 的傳輸方式是,，使用 15 kΩ 電阻將 D+ 線拉至 2.8 V 以上，使用 1.5 kΩ 電阻將 D- 線拉至 3.6 V 以下,。差分 0 的傳輸方式是,，使用相同的下拉/上拉電阻，將 D- 傳輸為大于 2.8 V,，將 D+ 傳輸為小于 0.3 V,。
請注意，示波器探頭接地必須是 USB 接地,。將示波器接地后,，單通道示波器可以監(jiān)控 D+ 或 D-。雙通道示波器可以監(jiān)控兩者,，數(shù)據(jù)傳輸時應該可以看到相位反轉。一個通道連接到 D+,，另一個通道連接到 D-,。兩個探頭的接地夾相互連接。然后顯示信號,，使它們相減 (XY),，因為 USB 是差分信號。
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