USB 2.0實體層測試的理解與實際操作(1)

USB 2.0實體層測試的理解與實際操作
參與USB 2.0裝置設計、分析和驗證工作的設計人員，每天都面臨著縮短新產品上市時間的壓力。選擇適當的測試儀器，可使設計人員快速而精確地進行USB建置者論壇（USB Implementers Forum，簡稱USB-IF）建議的所有相容性認證測試。
通用串列匯流排（USB 2.0）是一種連接技術規格，旨在連接電腦外面的周邊裝置，可在不打開電腦外殼下安裝所需裝置，免除了開機箱插卡的麻煩。USB相容裝置為使用者提供使用方便、擴充性和高傳輸速度。
USB 2.0技術已被今天的市場廣泛接受，它將資料處理速率提升了40倍。資料處理量的增加為許多新型周邊產品打開新天地，包括全動態視訊至輔助性的、只有錢包大小的硬碟機。但是，隨著資料速率的急速升高，也出現了新的測試和量測方面的挑戰。
USB 2.0規格推出了新的相容性要求。在製造商將USB-IF「認證」標誌標籤貼在產品包裝之前，USB 2.0裝置的設計人員必須恰當地鑑定其設計並檢驗產品是否符合業界標準。因此，恰當的測試工具對USB-IF相容性測試極其重要，這些測試項目包括低速、全速和高速裝置和集線器的眼狀圖和參數測試。
本文章將重點介紹USB 2.0實體層量測和電相容性測試（電測試和高速測試）的解說與實際操作，並介紹各項測試所需的儀器。
USB 2.0的基本原理
USB 2.0是一種串列匯流排，使用4條線－VBUS、D-、D+和接地。D-和D+傳送資料。VBUS為來自主機（Host）或集線器（hub）的電源。
USB 2.0規定了表1所列之速度選擇和上升時間。
USB 2.0裝置可以自行供電（有自己的電源供應器），由匯流排供電（電源來自主機），自行供電裝置須盡量減少用電。USB 2.0規格中列有這方面的詳細測試規格。
USB 2.0電測試
USB 2.0電測試包括訊號品質、峰值電流檢查以及壓降（Drop）和浮動（Droop）電壓測試。
訊號品質測試
資料速率增加40倍後，雖然帶來了許多好處 ，但也給USB 2.0相容性裝置供廠商帶來了各種新的設計挑戰。特別是在訊號品質問題方面，如電路板的佈局、抖動、上升和下降時間、電磁場干擾（EMI）、雜訊，和接地雜訊（Ground bounce）等，都已成為最亟待解決的設計問題。保持訊號品質是保證USB 2.0裝置合乎規格，並獲得USB 2.0「認證」標誌的關鍵之一。
訊號品質測試包括：
‧眼狀圖測試
‧訊號速率
‧封包結束（EOP）寬度
‧交叉電壓範圍
‧成對的JK抖動
‧成對的KJ抖動
‧連續抖動
‧上升時間
‧下降時間
眼狀圖測試對於串列資料應用可謂是絕無僅有的首次。
訊號品質測試在設定方面因上傳（upstream）和下傳（downstream）測試而不同。在上傳測試中，擷取的是從客戶端傳輸至主機的訊號；而在下傳測試中，擷取的則是從主機傳輸至客戶端的訊號。下傳測試通常在集線器埠上進行。
在進行相容性測試時，須設定最壞的USB 2.0連線方式，以確保有足夠的測試容裕（margin）。待測裝置將在第6層上測試，以確保涵蓋最壞的情況。另外，集線器的每一級都被稱為一層（tier）。待測集線器（HUT）需插在第5層，以便其在第6層上運行。
訊號品質測試需要即時示波器，如TDS7404數位螢光示波器（DPO）或TDS694C數位儲存示波器（DSO），以及單端探棒（低速和全速）和差動探棒（高速），型號分別為P6243、P6245和P6248。另外，這種測試還需要測試軟體和測試固定裝置，如TDSUSB2相容性測試軟體。
圖1所示為TDSUSB2相容性測試軟體在TDS7404 DPO上執行的情況。該測試軟體可全面實現訊號品質測試程序的自動化，以使產品設計人員能夠快速而簡便地測試他們的設計。
使用者須針對某特定訊號速度（低速、全速或高速）先選擇需進行的量測項目，然後根據層（即DUT的連接層）、測試點（DUT的測試點－近端或遠端），以及傳輸方向（上傳或下傳測試）設定應用程式，如圖2所示。在完成了這兩步之後，使用者即可執行自動量測了。
這套測試軟體可以免除費時的手動設定示波器、放置游標以及用USB 2.0規格比較測試結果的麻煩。如圖3所示，能夠自動以總結和詳細報告形式顯示量測結果。
峰值電流檢查
由於USB 2.0是一種熱插拔技術（無需關機，即可驅動），故須在設計方面非常小心，以確保裝置汲取的電流量不超過特定的設限。如果汲取的電流量超過特定值，匯流排上連接的其他USB 2.0裝置的運行則可能受到妨礙。自行供電的裝置和由匯流排供電的裝置都須進行峰值電流檢查，以查核待測裝置（DUT）在插入集線器埠時是否會汲取過多的電流。
在插入裝置時，裝置通常會瞬間汲取大量的電流。如圖4所示，隨後電流的汲取會進入衰減的過程。而且可能會觀察到電流軌跡中的小突峰或擾動，程度取決於裝置的重置時間。
在理論上，峰值電流檢查包括計算在某段時間內的電流積分總量（以示波器上兩個垂直游標的位置界定）。
USB 2.0規格規定在VBUS 數值為5.15V時，裝置汲取的總電荷應該低於或等於51.5μC（此項測試的Waiver Limit為低於150μC）。
峰值電流檢查需要即時示波器，如TDS7404 DPO或TDS694C DSO，以及電流探棒如TCP202。這種測試還需要測試軟體和測試治具 ，如TDSUSB2相容性測試套件。TDSUSB2測試軟體可自動設定示波器，以進行峰值電流檢查。測試軟體也提供總電荷（μC）讀值功能，並能自動指示通過或失敗（Pass/Fail）。
壓降測試（Drop Test）
USB 2.0規格要求USB埠提供的VBUS在4.75和5.25V之間，由匯流排供電的集線器應保持4.4V或更高的VBUS。電壓降測試在無負載和全負載（根據情況為100mA或500mA）兩種條件下評估VBUS。
Vdrop = Vupstream - Vdownstream
Vupstream = VBUS at hubs upstream connection
Vdownstream = VBUS at one of hubs downstream port
當下傳埠出現100mA的負載時，由匯流排供電的集線器必須在其下傳和上傳埠之間保持≦100mV的Vdrop。這項要求可保證集線器向下傳裝置提供4.4 V的電壓。帶電纜的匯流排供電裝置必須在上傳連接器和下傳埠之間保持≦350mV的Vdrop，包括通過電纜時的壓降。
壓降測試需要萬用表。TDSUSB2相容性測試可輔助報告測試結果。可將萬用表的量測結果輸入TDSUSB2測試軟體，向使用者提供匯整報告。
浮動電壓測試（Droop Test）
在無負載及待測埠（PUT）有100mA負載的情況下（所有其他埠均為全負載），Vdroop 等於VBUS 電壓之差。
USB 2.0規格允許的最大浮動電壓是330mV。浮動電壓測試檢測最壞情況下的浮動電壓，所用方法是對待測埠交替實施100mA的負載和無負載條件，而所有其他埠則均提供最大的負載 。所有 VBUS 量測值都相對於本機接地。
浮動電壓測試需要即時示波器，如TDS7404 DPO或TDS694C DSO，以及單端探棒，如P6243或P6245。此外，這種測試還需要測試軟體和測試治具，如TDSUSB2相容性測試套件。
TDSUSB2測試軟體能夠自動根據測試條件設定示波器。該應用程式可用於擷取訊號，提供Vdroop 量測值，並隨後提供通過/失敗（Pass/Fail）資訊以及詳細的測試結果。