技術(shù)文章
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用示波器測(cè)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(jué)，并且通常知道分別插入主機(jī)和外圍設(shè)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(wú)處不在的手機(jī)或數(shù)碼相機(jī)等小型設(shè)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(jì)算機(jī)或其他設(shè)備中的相應(yīng)插座。A 端是標(biāo)準(zhǔn)的，而 B 端可能是標(biāo)準(zhǔn)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(kāi)發(fā)。Apple Inc. 的 IMac 是 USB 的早期實(shí)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(kāi)來(lái)。
USB 3.0 規(guī)范于 2008 年頒布。2010 年發(fā)布了采用新技術(shù)的新一代設(shè)備，該技術(shù)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(shí)稱為 USB 3.1 Gen 2）于 2013 年問(wèn)世。它將 USB 3.0 的速度提高了一倍，達(dá)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(jié)構(gòu)而非菊花鏈拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并且是不對(duì)稱的。這意味著電纜的兩端并不相同，無(wú)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(shè)備，這些設(shè)備可以同時(shí)處于活動(dòng)狀態(tài)。與電話線不同，USB 電纜不能拼接。分支線必須通過(guò) USB 集線器以以太網(wǎng)的方式分層。最多 127 個(gè)設(shè)備（包括集線器）可以連接到單個(gè)主機(jī)，對(duì)于計(jì)算機(jī)來(lái)說(shuō)，該主機(jī)可能包含一個(gè)根集線器和幾個(gè)端口。相比之下，示波器通常配備單個(gè)端口，可用于將儀器聯(lián)網(wǎng)或接受鍵盤或單個(gè)閃存驅(qū)動(dòng)器以保存波形和/或設(shè)置。
USB 設(shè)備通常包括協(xié)同工作的子設(shè)備。例如，網(wǎng)絡(luò)攝像頭是一種復(fù)合設(shè)備，包含麥克風(fēng)，與視頻部分分開(kāi)。還有一種復(fù)合設(shè)備，由兩個(gè)或多個(gè)獨(dú)立實(shí)體組成，這些實(shí)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(jī)控制器連接到端點(diǎn)，端點(diǎn)是位于設(shè)備內(nèi)的單個(gè)邏輯輸入。每個(gè)管道都有一個(gè)端點(diǎn)。可以想象，一個(gè)設(shè)備上最多可以有 32 個(gè)端點(diǎn)，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(dòng)數(shù)據(jù)傳輸會(huì)話（USB 的一半功能是數(shù)據(jù)傳輸，另一半功能是電源），主機(jī)會(huì)傳輸一個(gè)令牌包，該令牌包指定帶有端點(diǎn)的管道。主機(jī)可以發(fā)送一個(gè)包含目標(biāo)設(shè)備地址和端點(diǎn)號(hào)的 Out 數(shù)據(jù)包。另一方面，如果信息流是從設(shè)備流向主機(jī)，則會(huì)發(fā)送 In 數(shù)據(jù)包。如果令牌包因移動(dòng)方向錯(cuò)誤而不合適，則會(huì)被忽略。
USB 枚舉過(guò)程始于設(shè)備首次連接到主機(jī)時(shí)。然后向設(shè)備發(fā)送重置信號(hào)。這決定了整體數(shù)據(jù)速率。隨后，設(shè)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(shè)備。與其他某些總線類型不同，主機(jī)獨(dú)自引導(dǎo)信息流。如果沒(méi)有這種復(fù)雜性，設(shè)備就無(wú)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(gè)電源（如極性相反的主機(jī)）就無(wú)法相互連接，否則會(huì)導(dǎo)致直接短路并產(chǎn)生很大的故障電流。
USB 連接器的設(shè)計(jì)使得插頭處的外部護(hù)套在電纜內(nèi)的四根導(dǎo)線接觸之前進(jìn)行電接觸。護(hù)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?yàn)檫B接器附近無(wú)法保持緊密的導(dǎo)線絞合率和差分信號(hào)。由于引腳的長(zhǎng)度，電源和接地連接在數(shù)據(jù)連接之前進(jìn)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(dòng)執(zhí)行 10 Gbps USB 3.1 Gen 2 BER 輪廓測(cè)試，可運(yùn)行發(fā)射機(jī)和接收機(jī)測(cè)試。它可自動(dòng)運(yùn)行 DUT 控制和模式驗(yàn)證，以捕獲所需的數(shù)據(jù)模式（CP0、CP1、CP9、CP10 等），并自動(dòng)執(zhí)行規(guī)范性和信息性發(fā)射機(jī)測(cè)試。它還可報(bào)告 PDF、MHT 和 CSV 格式的測(cè)試裕度、通過(guò)/失敗結(jié)果和圖表的詳細(xì)信息。
USB 接收器測(cè)試軟件可以運(yùn)行錯(cuò)誤分析工具（如模式排序和錯(cuò)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(dòng)容限測(cè)試，并模擬不同的通道長(zhǎng)度和電纜組合。
低端示波器也可以運(yùn)行 USB 測(cè)試，但可能不具備同等程度的自動(dòng)化。此外，值得注意的是，USB 3.1 規(guī)范的測(cè)試要求示波器帶寬至少為 16 GHz，以便準(zhǔn)確測(cè)量所涉及的 10 Gb/秒數(shù)據(jù)速率。
USB 使用差分傳輸對(duì)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(qǐng)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(shí)應(yīng)該可以看到相位反轉(zhuǎn)。一個(gè)通道連接到 D+，另一個(gè)通道連接到 D-。兩個(gè)探頭的接地夾相互連接。然后顯示信號(hào)，使它們相減 (XY)，因?yàn)?USB 是差分信號(hào)。
這就是普通用戶需要了解的有關(guān) USB 的全部?jī)?nèi)容。但實(shí)際上，現(xiàn)在這種全雙工信息通道背后隱藏著相當(dāng)多的技術(shù)。USB 線的外觀相似，但仔細(xì)觀察就會(huì)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(jì)算機(jī)或其他設(shè)備中的相應(yīng)插座。A 端是標(biāo)準(zhǔn)的，而 B 端可能是標(biāo)準(zhǔn)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(kāi)發(fā)。Apple Inc. 的 IMac 是 USB 的早期實(shí)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(kāi)來(lái)。
USB 3.0 規(guī)范于 2008 年頒布。2010 年發(fā)布了采用新技術(shù)的新一代設(shè)備，該技術(shù)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(shí)稱為 USB 3.1 Gen 2）于 2013 年問(wèn)世。它將 USB 3.0 的速度提高了一倍，達(dá)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(jié)構(gòu)而非菊花鏈拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并且是不對(duì)稱的。這意味著電纜的兩端并不相同，無(wú)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(shè)備，這些設(shè)備可以同時(shí)處于活動(dòng)狀態(tài)。與電話線不同，USB 電纜不能拼接。分支線必須通過(guò) USB 集線器以以太網(wǎng)的方式分層。最多 127 個(gè)設(shè)備（包括集線器）可以連接到單個(gè)主機(jī)，對(duì)于計(jì)算機(jī)來(lái)說(shuō)，該主機(jī)可能包含一個(gè)根集線器和幾個(gè)端口。相比之下，示波器通常配備單個(gè)端口，可用于將儀器聯(lián)網(wǎng)或接受鍵盤或單個(gè)閃存驅(qū)動(dòng)器以保存波形和/或設(shè)置。
USB 設(shè)備通常包括協(xié)同工作的子設(shè)備。例如，網(wǎng)絡(luò)攝像頭是一種復(fù)合設(shè)備，包含麥克風(fēng)，與視頻部分分開(kāi)。還有一種復(fù)合設(shè)備，由兩個(gè)或多個(gè)獨(dú)立實(shí)體組成，這些實(shí)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(jī)控制器連接到端點(diǎn)，端點(diǎn)是位于設(shè)備內(nèi)的單個(gè)邏輯輸入。每個(gè)管道都有一個(gè)端點(diǎn)。可以想象，一個(gè)設(shè)備上最多可以有 32 個(gè)端點(diǎn)，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(dòng)數(shù)據(jù)傳輸會(huì)話（USB 的一半功能是數(shù)據(jù)傳輸，另一半功能是電源），主機(jī)會(huì)傳輸一個(gè)令牌包，該令牌包指定帶有端點(diǎn)的管道。主機(jī)可以發(fā)送一個(gè)包含目標(biāo)設(shè)備地址和端點(diǎn)號(hào)的 Out 數(shù)據(jù)包。另一方面，如果信息流是從設(shè)備流向主機(jī)，則會(huì)發(fā)送 In 數(shù)據(jù)包。如果令牌包因移動(dòng)方向錯(cuò)誤而不合適，則會(huì)被忽略。
USB 枚舉過(guò)程始于設(shè)備首次連接到主機(jī)時(shí)。然后向設(shè)備發(fā)送重置信號(hào)。這決定了整體數(shù)據(jù)速率。隨后，設(shè)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(shè)備。與其他某些總線類型不同，主機(jī)獨(dú)自引導(dǎo)信息流。如果沒(méi)有這種復(fù)雜性，設(shè)備就無(wú)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(gè)電源（如極性相反的主機(jī)）就無(wú)法相互連接，否則會(huì)導(dǎo)致直接短路并產(chǎn)生很大的故障電流。
USB 連接器的設(shè)計(jì)使得插頭處的外部護(hù)套在電纜內(nèi)的四根導(dǎo)線接觸之前進(jìn)行電接觸。護(hù)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?yàn)檫B接器附近無(wú)法保持緊密的導(dǎo)線絞合率和差分信號(hào)。由于引腳的長(zhǎng)度，電源和接地連接在數(shù)據(jù)連接之前進(jìn)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(cè)試可能相當(dāng)復(fù)雜。有標(biāo)準(zhǔn)波形用于表征 USB 電路的行為。高端示波器供應(yīng)商（如Keysight和Tektronix）通常提供專門設(shè)計(jì)用于自動(dòng)執(zhí)行大量 USB 測(cè)試的特殊軟件包，這些示波器可用于 USB 的誤碼率測(cè)試 (BERT)。
例如，泰克的一款軟件包用于自動(dòng)執(zhí)行 10 Gbps USB 3.1 Gen 2 BER 輪廓測(cè)試，可運(yùn)行發(fā)射機(jī)和接收機(jī)測(cè)試。它可自動(dòng)運(yùn)行 DUT 控制和模式驗(yàn)證，以捕獲所需的數(shù)據(jù)模式（CP0、CP1、CP9、CP10 等），并自動(dòng)執(zhí)行規(guī)范性和信息性發(fā)射機(jī)測(cè)試。它還可報(bào)告 PDF、MHT 和 CSV 格式的測(cè)試裕度、通過(guò)/失敗結(jié)果和圖表的詳細(xì)信息。
USB 接收器測(cè)試軟件可以運(yùn)行錯(cuò)誤分析工具（如模式排序和錯(cuò)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(dòng)容限測(cè)試，并模擬不同的通道長(zhǎng)度和電纜組合。
低端示波器也可以運(yùn)行 USB 測(cè)試，但可能不具備同等程度的自動(dòng)化。此外，值得注意的是，USB 3.1 規(guī)范的測(cè)試要求示波器帶寬至少為 16 GHz，以便準(zhǔn)確測(cè)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(duì)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(qǐng)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(shí)應(yīng)該可以看到相位反轉(zhuǎn)。一個(gè)通道連接到 D+，另一個(gè)通道連接到 D-。兩個(gè)探頭的接地夾相互連接。然后顯示信號(hào)，使它們相減 (XY)，因?yàn)?USB 是差分信號(hào)。
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