[分享]USB 2.0實體層測試的理解與實際操作(2)

USB 2.0高速測試
基本上，USB 2.0裝置的相容性測試嚴格遵循了USB 1.1裝置的相容性測試協定。主要增加的部分與USB 2.0高速模式有關。高速模式給USB裝置的設計增加了新難度。USB 2.0的高速測試包括接收器的靈敏度、CHIRP、單調性（Monotonicity）和阻抗值量測測試。
接收器靈敏度測試
如果需要在嘈雜的環境中增加作業的可靠性，一台USB 2.0高速裝置必須在訊號位準等於或超過特定位準時以NAKs響應IN tokens（註1）。測試要求把DUT安置在Test_SE0_NAK模式。然後由DG2040替代主機繼續傳輸IN tokens。向DUT提供的訊號振幅為150 mV或超過該位準。在這些位準上，DUT須處於非靜音模式，以NAK響應IN封包。然後將訊號振幅減至＜100mV，在這個位準上，DUT須處於靜音模式（squelched），不以NAK響應IN tokens。
接收器靈敏度測試需要使用即時示波器，如TDS7404 DPO或TDS694C DSO，以及能夠傳輸不同振幅IN tokens的高速資料訊號源，如DG2040。測試還需用差動探棒，如P6248，以及測試軟體和測試治具，如TDSUSB2相容性測試套件。
圖5所示為用TDS7404 DPO和DG2040資料產生器做此測試時的設定。TDSUSB2測試組件可提供接收器靈敏度測試所需的各種測試設定以及DG2040所需的各種測試模式。
CHIRP測試
CHIRP（動態頻移或躍頻）測試的目的是在速度檢測協定中檢查上傳和下傳埠的基本時序和電壓。對集線器而言，上傳和下傳埠都必須進行CHIRP測試。
在做CHIRP測試時，先熱插拔DUT，然後用單端探棒在兩條訊號線上量測訊號傳輸情況。資料分析包括：CHIRP K振幅、CHIRP K時間、重置時間、高速終端前的KJ對數量以及裝置實施的終端前在KJKJKJ後的延遲。
圖6所示為用TDS694C DSO做CHIRP測試時所得波形及其參數之說明。
CHIRP測試需要使用即時示波器，如TDS7404 DPO或TDS694C DSO，以及單端探棒，如P6243或P6245。另外，測試還需要測試軟體和測試治具，如TDSUSB2相容性測試套件。
以手動方式分析各種CHIRP類型和條件是一個頗耗費時間的過程。TDSUSB2測試軟體不僅可使這一分析過程自動化，還能自動記錄分析結果。
單調性測試
在進行USB 2.0高速相容性測試時，研發人員需要檢查所測試的訊號是否為單調性訊號。單調性測試的目的是核對傳輸的訊號在振幅的平滑增加或減少，沒有偏差至反方向。非單調性訊號活動的起因通常源於電路中的介穩態（metastability）、高頻雜訊以及抖動問題。圖7使用一個上升時間為500ps的USB 2.0高速訊號，對單調性訊號和非單調性訊號進行了比較。
若需檢查訊號的單調性活動，所用示波器應具有足夠高的取樣率，以盡可能多地擷取上升或下降邊緣上的取樣點。此外，示波器還應有足夠的頻寬，以確保原始訊號真實重現。因此，具有10 GS/秒取樣率和3或4GHz頻寬的示波器，如TDS694C DSO或TDS7404 DPO才是單調性測試所需的理想工具。
單調性測試還需具備測試軟體以及測試治具，如TDSUSB2相容性測試套件。在對封包資料檢查期間，我們對一台USB 2.0裝置進行了單調性測試檢查。如圖8所示，TDSUSB2相容性測試軟體在擷取到封包資料後，將對每一個上升和下降邊緣是否符合單調性進行檢查。如圖9所示，該項設定採用了高速訊號品質測試的設定。TDSUSB2相容性測試軟體加上一台高性能的示波器，就可使這一測試過程自動化，並可確保測試結果的重現性。
阻抗量測值測試
由於USB 2.0模式的高速率，故使線路和封裝的阻抗變成了舉足輕重的關鍵參數。USB 2.0規格現已要求對電纜、元件和裝置進行差動阻抗量測。
USB 2.0規格要求：差動TDR阻抗步階響應須設定為400ps。USB規格界定了由DUT連接器為參考點的阻抗上下限。總而言之，連接器在一定距離內，阻抗應在70Ω和110Ω之間。另要求電纜也須符合特定的阻抗範圍。這些設限要求為90Ω±15%。
阻抗量測值測試需用一台時域反射儀（TDR），如配備有80E04 TDR取樣模組的TDS8000數位取樣示波器。這種示波器和取樣模組可同時在八個通道上提供無可比擬的TDR性能。
圖10所示為用TDS8000數位取樣示波器所做的TDR量測。測定的最小值和最大值在USB差動規格的90Ω±15%邊緣之內。
USB 2.0實體層測試對儀器的要求
USB 2.0的新規範擴充了位元的傳輸速率，打開了全新USB消費應用的新領域，讓個人電腦在使用上更加容易，成為人們工作和家庭生活中不可或缺的工具。在消費產品商機方面，上市時間極關重要。從事USB研發的設計人員深知，正解的工具有助於達成產品設計時間表的挑戰。最關鍵的仍然是示波器的頻寬、上升時間和取樣率，以及測試治具和全自動測試軟體。
有關USB 2.0實體層驗證和電訊號相容性測試需要的各種測試設備，請見表2。
適用於USB 2.0實體層測試的工具
即時示波器
對USB 2.0量測工作而言，即時示波器是最重要的測試儀器。在為量測工作選擇示波器時，應著重考慮示波器的上升時間、頻寬和取樣率 。以下幾節分別介紹了即時示波器應具有的性能特點。
示波器頻寬／上升時間對於量測精確度的影響
示波器在上升時間方面的需要直接取決於待測訊號的上升時間。下面的經驗公式表明了測定的上升時間 、示波器上升時間 和訊號上升時間 之間的關係：
RT（measured）= (
表3基於這一關係公式說明了錯誤的百分比變化，與示波器上升時間和訊號上升時間之比的關係。
當示波器的上升時間規格5倍於訊號時，錯誤降至1.8%。然而就訊號而論，較低頻的示波器上升時間將意味著量測值有較高的錯誤。因此，為了測定上升時間為500ps的訊號，所用示波器的上升時間最好為100～120ps，如TDS7404 DPO或TDS694C DSO方為理想的示波器。
示波器取樣率對測試的影響
要想在500ps的快速邊緣上擷取到資訊，一個邊緣至少需要有10個取樣點。在進行高速測試所必須的單調性測試時，這一要求變得更為重要。
時域反射儀
阻抗量測值測試需要時域反射儀。TDS8000數位取樣示波器和80E04 TDR取樣模組可提供實際差動時域反射（TDR），是 USB 2.0裝置和電纜阻抗量測所需的理想解決方案。該示波器和取樣模組能夠顯示差動線路的正向與負向TDR波形，並能直接量測每個導體的阻抗或差動線路的共模電壓。這套測試系統還能顯示這兩種線路的實際差動量測值，並以ohms單位顯示阻抗，不論使用者驗證何種USB 2.0裝置，都可為其提供所需的量測值。
訊號源
接收器靈敏度測試需要訊號源。DG2040是一種1.1GHz的低抖動資料產生器，經簡單程式化後便可輸出符合USB 2.0標準的高速資料。雙通道輸出可使USB裝置使用非標準的差動信號（Signaling）。
測試治具
測試治具是極為重要的元件，用於為各種測試設定提供探棒的插座。理想的測試治具應能接入差動資料線路（D+、D-和VBUS），並能透過電路板的USB連接器或連線的連接頭提供接駁/連接。
對接收器靈敏度測試而言，使用者需用SMA電纜將資料產生器與資料線路相連，產生訊號至測試設備。同時還需為TDR量測裝置準備接入電纜，以便進行阻抗量測。
測試軟體
測試軟體分為全自動測試軟體、半自動測試軟體和手動測試，使用者可根據各自的需求進行選擇。
全自動測試軟體
全自動測試軟體（如TDSUSB2相容性測試套件）可通過自動示波器設定、自動高速測試以及快速「單按鈕」測試等方式顯著改進測試效率。該測試軟體可大大地減少測試時間和任何量測失誤。
半自動測試軟體
不言而喻，這種解決方案只自動進行某些測試項目，部份測試步驟仍需人為操作，自然會降低工作的效率。
有些仍需以手動方式進行測試的例子，包括接收器靈敏度、CHIRP和單調性測試等高速相容性測試項目以及上升和下降時間的計算。
手動測試
以前，研發人員一直使用MATLAB scripts進行相容性測試。在使用MATLAB scripts時，使用者必須以手動方式完成整個測試過程，包括設定示波器、準確放置游標、把擷取的訊號轉換為.tsv文件儲存，以及執行MATLAB script。
由於測試和設定工作較為複雜，故測試工程師要掌握大量的專業知識。同時，由於示波器的設定每次都可能因測試項目的不同而要不斷地改變，所以示波器的設定往往是最枯燥乏味而又耗費時間的任務。使用者被迫要不斷地參照大量的測試程式文件，這不僅使測試工作變得艱難，而且也大大地降低了作業效率。
探棒
探棒是量測系統進行各種USB 2.0相容性測試所必須的重要元件。Tektronix提供的差動探棒（P6248）、單端探棒（P6243、P6245）和電流探棒（TCP202），可用於極細微的高密度電路板和難以點到的元件，並可保持最大的訊號純真度。
結論
USB 2.0技術的推出使資料速率提升了40倍。這項技術為裝置設計師開闢了一條遷移途徑，可使高性能週邊裝置繼續保持消費者所要求的易於使用的特點。然而資料速率的大幅提高也給裝置設計師帶來了必須解決的新設計挑戰。