安捷伦科技中国有限公司马卓凡
概述
自从1995年USB（Universal Serial Bus，通用串行总线）诞生起，由于USB接
口的简单易用、支持热插拔、速度快等特点被广泛应用于当今的电子产品中，USB
堪称是PC平台上最成功的I/O技术，除PC及外设外，也成为打印机、手机及各种消费电子产品标准的扩展接口。USB标准规范历经多年的发展从第一代的1.0 Low Speed/1.1 Full Speed，演进到2.0 High Speed标准，补充标准On-The-Go（OTG）允
许便携设备之间直接交换数据，在2008年底USB 3.0 Super Speed规范也已经发布。这些接口标准都是向下兼容的，接口速度也由1.5Mbps，12Mbps，480Mbps发展
到5Gbps。
随着接口传输速度的提高，对于设计和开发者来说，信号完整性的问题也越 来越突显，另外以串行的传输结构，在协议层和互操作方面也有更大的挑战。USB-IF（USB Implementers Forum，USB实施者论坛）制定了一致性测试规范，在电气
层面、功能层面、互操作层面规定认证测试方案，并授权测试实验室认证测试，USB相关产品通过测试取得USB徽标的认证。这就要求USB开发人员能够在实验
室研发阶段，进行满足一致性规范要求的预测试，及早的发现和解决问题，从而加快产品的量产速度。
本文介绍了基于集示波器和协议分析功能为一身的安捷伦Infiniium 9000系列 示波器用来测试和分析USB2.0物理电气层和协议层的完整解决方案*。
USB 2.0基本规范
USB 2.0规范定义了三种信号速率，分别是低速，全速和高速，电气特性如表
1所示：
速率幅度上升时间**
低速(Low Speed) 1.5 Mb/s 3.3 V 75 ns - 300 ns
全速(Full Speed) 12 Mb/s 3.3 V 4 ns – 20 ns
高速(High Speed) 480 Mb/s 400 mV 500 ps
表1 USB 2.0电气特性规范
* 由于篇幅所限，本文只介绍针对USB2.0总线的测试方案，USB3.0的测试方案另文介绍。
**上升沿时间T r定义为10%-90%
小问题：USB2.0测试需要多大的带宽的示波器
对于高速USB2.0信号来说，信号的最大频率分量f MAX=0.5/T r。
在保证3%的测量精度的要求下，示波器的带宽BW scope=1.9 x f MAX (注：此公式适用于高斯响应示波器)。
所以，对于上升沿时间为500 ps的高速USB 2.0信号，示波器的带宽至少应该为2 GHz左右，以9000系列示波器来说，应选取2.5 GHz带宽的示波器以及更高带宽的差分探头进行高速USB信号的测试。
USB系统设备类型包括主机 (Host)，集线器(Hub)，外设(Device)。USB Host负责管理I/O系统及应用软件，管理外设枚举 (Enumeration)，在运行过程中初始化对特定外设的操作；每个外设接受操作并做出响应，另外主机也将外设纳入系统的电源管理体系。Hub提供扩展
的USB外设接口，最多可以
级联5级，最多可以连接
127个USB设备。Device接
受Host发起的操作，发送或
接收数据。设备可以自供电
或者由主机供电，主机供电
设备最大吸收电流为500mA。
上行(Upstream)和下行
(Downstream)分别定义了数
便携式示波器据从外设到主机以及从主机
到外设的方向。
USB采用4线结构，分
别为V BUS， GND， D+, D-。
图1所示为高速USB接口的结构图，差分总线以Rpu上拉至3.3V，当啁啾(Chirp)握手后，如果支持高速模式，那么Rpu电阻将被断开，总线
切换到高速模式。
图1 USB2.0 高速收发器的结构图
高速USB测试需要高速信号质量，接收灵敏度，CHIRP时序，包参数等等，低速和全速测试则还包括了信号质量，冲击电流，Droop/Drop测试等内容。信号质
量测试又包括眼图、包尾宽度、信号速率、上升/下降时间、交叉点电压范围、JK/KJ 抖动、连续抖动等等。 9000系列示波器概述
表 2 9000系列示波器的基本指标
首先如表2所示，9000系列示波器硬件带宽最大达4GHz ，标准配置20 Mpts (2通道模式)，最深可以配置达到1G pts 的存储深度，具有丰富的示波器分析和调试的工具，波形观察和测量的能力，此系列示波器每通道都具有50 ohm 及1M ohm 输入阻抗，可直接使用标准配置4个无源探头，进行低速和全速USB 信号的测量。一致性测试软件N5416A 提供对USB2.0完整的物理层测试方案。
另外，可升级的MSO （Mixed
Signal Oscilloscope 混合信号示波器）选型的9000示波器，标准配置每通道
128Mpts 深度的逻辑通道，可以在同一时基下观察和调试信号的模拟波形及16路逻辑时序，支持模数混合状态和码型触发，从系统层面分析复杂总线。
此外，安捷伦独有的基于示波器的协议分析功能，具有I2C/SPI ，CAN/FlexRay ，RS-232/UART ，USB ，PCIe ，SATA ，MIPI D-Phy ，8b/10b 等协议的观察和分析能力，能够快速执行测试，并在协议层和物理层之间进行切换。
图2 9000系列示波器实物图
本文主要针对USB 2.0测试的9000示波器的方案，此系列示波器的其他应用可以参考相关的文章。
基于9000示波器的USB2.0物理层测试
如图3 所示，基于9000示波器的USB2.0物理层测试包括示波器
DSO9254A ，运行于示波器的USB 一致性测试软件N5416A ，探头
InfiniiMax 系列的1131A 有源放大器及E2678A 插座式探头前端，再配合
E2649B 高速测试夹具，E2646A 全速/低速测试夹具，以及安捷伦独有的 OTG 测试 夹具N5417A 对Host ，Device ，Hub ，OTG 等不同类型的USB 被测件进行测试。
为了完成一致性测试，USB2.0规范规定了USB 主机、外设、Hub 必须支持测试模式Test_Packet ， Test_J ，Test_K ， Test_SE0_NAK 等，通常来说可以采用USB-IF 发布的如图4的USBHSET 软件来控制被测件，或者通过配置设备芯片的控制寄存器设置相关模式。
图4 USB-IF 高速电气测试工具
USB 测试夹具套件E2649B 包括了如下部分：
E2649-66401 设备 TDR/信号质量测试夹具 E2649-66402 主机 TDR/信号质量测试夹具
图5 E2649B 示波器测试夹具
图3 USB2.0测试方案框图
E2649-66403 设备接收机灵敏度测试夹具 E2649-66404 主机切断测试夹 E2649-66405 下跌和衰落测试夹具
USB 高速测试夹具上提供主
机和被测设备的连通(初始化通路)及被测件的测试(Test Load)状态，在初始化设置被测件进入测试模式后，通过继电器开关切换至测试模式，继而由示波器完成信号测试。
如图6所示，USB2.0一致性测试软件N5416A 以自动化的方式可以同时选择多个测量参数，
软件自动依次执行每一参数的设置及测试，从而大大提高了测试
效率。
另外它提供了Debug 模式，可以手动调整某些参数比如迟滞阈值、触发电平，选择模板，选择测试方法使用MATLAB 还是使用串行数据分析的方法等等，使用户能够更灵活的调试获得相应测试结果，另外，N5416A 可在测试时选择多次重复测量，得到有统计意义的结果，并标记最差结果。
测试软件会根据测量参数的选择提示夹具、探头及示波器的连接向导，控制软件设置方法，以及波形图例，方便用户在线测试，不必再专门翻阅相关手册。
如图7所示，在测试完成后会自
动生成完整的HTML 报告，测试报告里包含所有被选参数的测量结果，图片，并且在测试目录下自动保存PNG ，HTML ，TSV 文件，客户可以方便的把测试报告存放在测试文档里，用于后续的分析和数据交换。
图6 N5416A 测试参数选择界面
图7 N5416A 测试向导界面
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