USB 2.0 – testowanie z maską za pomocą oscyloskopu cyfrowego R&S RTO

Konfiguracja układu testowego

Pomiarów interfejsu USB należy dokonywać przyrządami pomiarowymi (np. oscyloskopem) podłączonymi przez określone rezystory terminujące.

Na schemacie z  rysunku 5. pokazano schemat montażu USB podczas testu. Wielu producentów dostarcza gotowych płytek testowych. W tej nocie aplikacyjnej został wykorzystana płytka montażowa firmy Allion.

Rys. 5. Sposób montażu układu pomiarowego do testów USB 2.0 z maską

W ten sposób mierzony jest stan linii różnicowych D+ i D–.

Pakiet testowy USB 2.0

Do testów z maską jest przewidziany specjalny pakiet testowy (HS Test Packet) opisany w specyfikacji USB 2.0. Długość pakietu wynosi 488 bitów, czas trwania to 1,0166 mikrosekundy, a całość jest powtarzana w równych odstępach czasu, jak na rysunku 6. Pakiet testowy składa się z następujących, ściśle ustalonych części:

• Nagłówek (Sync + Data0 PID)
• Treść pakietu (payload) z różnymi sekwencjami bitów
• Suma kontrolna (CRC)
• Koniec pakietu (EOP)

Rys. 6. Pakiet testowy USB 2.0 HS na ekranie oscyloskopu RTO. Pakiet składa się z 488 bitów odpowiadających okresowi 1,0116 mikrosekundy. Odstęp między dwoma pakietami jest nazywany czasem spoczynku (idle time)

Szablony masek

Istnieje punktów pomiarowych, zwanych płaszczyznami testowania (Test Planes – TP), pokazanych na schemacie z rysunku 7.  Dla różnych  płaszczyzn zostały zdefiniowane różne maski. Zgodność ze specyfikacją USB wymaga spełnienia testów w płaszczyznach TP2 i TP3. Pomiary TP3 i TP4 są zlokalizowane w miejscu układów nadajnika na płytce drukowanej i są opcjonalne.

Rys. 7. Położenie punktów pomiarowych (TP) 1-4 przeznaczonych do testów USB 2.0 z maską

Tabela 1 zawiera przegląd  sześciu różnych szablonów zdefiniowanych w specyfikacji USB 2.0. Przewidziane testy różnią się kierunkiem transmisji (nadawanie lub odbiór), a także typem urządzenia testowanego (hub lub urządzenie docelowe). Szablony 1 do 4 są wymagane do zapewnienia zgodności, szablony 5 oraz 6 stanowią wskazówki dla projektantów urządzenia.

Tab. 1. Przegląd sześciu szablonów do testowania z maską przewidzianych w specyfikacji USB 2.0

Szablony transmisji USB określają minimalny i maksymalny zakres amplitudy, jak również warunki istnienia „otwartego oczka”. Szablon pokrywa testy dynamiki sygnału na wyjściu nadajnika, uwzględniając poziomy napięć wyjściowych, przestrzały, spadki napięcia, czasy narastania/opadania i wahania zegara (jitter). Podczas projektowania nadajnika celem jest uzyskanie szeroko otwartego oczka, by zapewnić niezawodną transmisję danych przez ścieżkę o ograniczonym paśmie, uwzględniając złącza, ścieżki PCB i kable.

Szablony odbioru USB określają minimalny i maksymalny zakres amplitudy i obszar otwartego oczka. Jednak podczas testów odbiornika margines otwartego oczka ma mniejszą tolerancję, aby sprawdzić, czy odbiornik wciąż jest w stanie skutecznie odtworzyć przesyłane dane.

Na rysunku 8 pokazano strukturę szablonów masek USB 2.0. Maska wewnętrzna jest zdefiniowana przez punkty P1 do P6. Maski testujące minimalną i maksymalną amplitudę są określone przez poziomy 1 i 2. Czasy występowania punktów P1 do P6 są określone jako ułamek czasu jednostkowego (UI, unit interval). UI to również długość jednego bitu, w trybie HS odpowiada to okresowi 1/480 Mbit/s, czyli 2,08333 nanosekundy. Nominalne napięcie różnicowe USB 2.0 wynosi ±400 mV.

Wszystkie bity sygnału testowego muszą się zmieścić w białym obszarze szablonu i nie mogą naruszyć czerwonego obszaru.

Rys. 8. Schematyczne przedstawienie szablonu USB 2.0.  Każda z wartości – minimalna i maksymalna (na dole i na górze maski) oraz punkty czasowe maski wewnętrznej (P1 do P6) mają określone wartości wymienione w tabeli 1. Żaden z bitów pakietu testowego nie może naruszyć czerwonego obszaru szablonu. Okres jednostkowy (UI) odpowiada długości bitu, nominalna wartość to 2,08333 nanosekundy

2. Testy z maską nadajnika USB 2.0 z użyciem RTO

Oscyloskop cyfrowy R&S RTO jest narzędziem przeznaczonym do wiarygodnej oceny integralności sygnału. Osiąga wysoki zakres dynamiki pomiarów dzięki niskoszumnym układom wejściowym i przetwornikowi analogowo-cyfrowemu (ADC) o efektywnej liczbie bitów (ENOB) powyżej 7.

Ponadto oscyloskop RTO umożliwia pomiary w całym zakresie pasma dla dowolnej czułości, nawet poniżej 10 mV na działkę.

Cyfrowy układ wyzwalania RTO pracuje w czasie rzeczywistym, dzięki czemu zmniejsza zburzenia czasu wyzwalania (trigger jitter), a zarazem poprawia czułość układu wyzwalania.

Oscyloskop RTO jest w stanie zarejestrować i przeanalizować do miliona przebiegów na sekundę. Jest to właściwość unikalna dla oscyloskopów cyfrowych, która pozwala szybko wykryć rzadkie zaburzenia sygnału.