普源DS70000示波器USB2.0一致性测试方案介绍

   什么是USB2.0

   USB是一种接口技术，用于规范计算机系统与外部设备的连接和通信。自1995年推出以来，USB以其高速、便捷、可扩展等特点，逐渐取代传统的串口和并口，被广泛地应用在各类外部设备，受到消费者的青睐。

为了保证USB接口产品的合规性及一致性，“所有寻求在其产品上使用USB-IF 徽标的公司都必须在 USB-IF 存档一份有效的 USB-IF 商标许可协议，并且产品必须经过认证”。

USB2.0 采用4线系统：Vcc, D+，D-和GND。D+和D-是一个差分信号对，作为主机、集线器和设备之间通信的主要载体。

   USB 2.0 取代并合并了定义低速和全速数据传输的 USB 1.1 规范，并新增了高速数据传。USB2.0向下兼容USB1.1和USB1.0，它有三种速率模式

为什么要做USB2.0测试

     USB2.0 的电接口测试包含了信号质量、浪涌电流及下跌和衰落测试。本次主要介绍的是信号质量测试。

USB 2.0 作为全球通用接口，其信号质量测试的核心目标是保证 “兼容性” 与 “可靠性”，具体可分为三类需求。

1、兼容性验证：USB 设备需与全球数百万主机 / 外设兼容（如 PC、手机、U 盘等）。若信号或协议不符合规范，可能导致 “设备无法识别”“传输中断” 等问题（例如：高速设备插入主机后被误识别为全速设备）。

2、性能保障：高速模式（480Mbps）下，信号频率达 240MHz（基频），高频信号易受阻抗不匹配、抖动、噪声影响，导致实际速率远低于理论值（甚至降至 12Mbps）。测试需验证信号完整性，确保速率达标。

3、认证合规：USB-IF 强制要求设备通过一致性测试（Compliance Test）才能使用 USB 标志。未认证设备可能因兼容性问题面临市场准入限制。

如何测试（普源方案）

    为了保证USB接口产品的合规性及一致性，“所有寻求在其产品上使用USB-IF 徽标的公司都必须在 USB-IF 存档一份有效的 USB-IF 商标许可协议，并且产品必须经过认证”。

为满足负责产品设计、检测和验证的工程师对于快速检定USB设备的需求，RIGOL提供了完备的USB2.0信号质量测试方案，设计工程师可以通过RIGOL提供的设备配合软件及测试夹具来完成USB2.0信号质量一致性测试。

方案搭建

测试工具

测试场景

测试项目

1、同步域测量（SYNC）

对于 USB 协议来说，所有的包都开始于同步域，同步域的作用是做本地时钟和对端时钟的同步。USB2.0总线中用的是很简单的时钟恢复机制，使用SYNC包实现高速对端和本地时钟的同步。用于高速传输的SYNC码型要求是15个KJ对信号后接2个K信号，一共32bits信号。简单来说，USB2.0高速信号的SYNC要求是32bit。

2、结束域（EOP）位宽

对于USB协议来说，所有的包都以结束域EOP(End-of-Packet)结束。结束域位宽用bit时间定义

对于起始帧包（SOF）的结束域（EOP）的位宽，要求在39.5bits和40.5bits之间，

对于非起始帧包（SOF）的结束域（EOP）的位宽，要求在7.5bits和8.5bits之间。

3、信号速率

高速数据速率标称 480.00Mb/s，传输时所需的数据速率精度为 480.00Mb/s±0.05% (500 ppm)。全速数据速率标称12.000Mb/s，传输时所需的数据速率为12.000Mb/s ±0.25% (2,500 ppm)。低速数据速率标称1.50Mb/s，传输时所需的数据速率为 1.50Mb/s ±1.5% (15,000 ppm)。

4、边沿单调测量

高速数据转换要求在眼图模板中指定的最小垂直开口上是单调的，所以在USB2.0高速一致性测试中，开发人员需要验证被测信号的单调性。单调性验证发送的信号幅度应该平滑提高或下降而没有反方向偏差。

5、上升时间、下降时间

对于低速和全速信号，上升时间和下降时间指的是从信号幅度的10%上升到90%的所需的时间，该要求适用于差分信号的转换以及差分信号和单端信号之间的转换。对于高速信号，边沿上升、下降时间需≥500ps。

6、抖动测试

USB2.0 高速抖动测试结果包含在眼图测试的结果中，抖动包含连续抖动，JK配对抖动，KJ配对抖动，抖动测试的主要项目及标准如下：

7、眼图测试

USB2.0 信号的眼图测试结果需要符合USB-IF协会提供的标准眼图模板，在USB2.0的一致性测试中，眼图测试结果是重要的参考项，RIGOL提供的USB2.0一致性测试解决方案中包含了USB2.0的眼图模板，可以实现自动眼图绘制并与标准眼图模板进行对比，直接给出眼图测试结果。

测试结果展示

DS70000的USB2.0一致性测试分析截图如图所示。显示的是USB2.0一致性分析的结果，包含了信号质量分析的各个测试项，各个测试项对应的合规指标范围以及实测的值，通过对比将测试结果显示在最后一列，各个测试项均满足标准，显示结果为Passes，否则会显示Failure。

USB2.0 一致性分析软件在分析信号质量时通过对接口所发出的标准信号（通过USB-IF协会推荐的USB接口控制软件XHCI HSETT进行发包），如图所示，这一帧波形即为分析的波形，图中的眼图模型也是用这一帧中的波形进行叠加后的结果。