USER
Тестирование устройств
USB 2.0 с помощью цифровых
осциллографов R&S®RTO
Бернхард Шульц (Bernhard Schulz), Гвидо Шульце (Guido Schulze)
В статье рассматривается вопрос тестирования устройств, работаю-
щих по протоколу USB 2.0. Описаны процедура тестирования по маске и
схема измерений. Приведен пример анализа тестовой битовой последова-
тельности данного стандарта с использованием осциллографа R&S RTO.
Введение
Протокол USB является одним из
наиболее распространенных. Он пред-
полагает три режима работы, отлича-
ющиеся скоростями передачи данных,
составляющими 1,5; 12 или 480 Мбит/с.
Для каждой скорости передачи уста-
новлены собственные испытания,
совокупность которых обеспечивает
качественный обмен данными между
взаимодействующими устройства-
ми. Для USB 2.0 разделяют тесты для
режимов приема и передачи, которые
подробно описаны в [1]. Тестирование
передатчика выполняется с помощью
осциллографа с полосой пропускания
не менее 2 ггц. Для тестирования при-
емника требуется генератор, способ-
ный формировать специализирован-
ные тестовые сигналы с заданными
амплитудами, которые подаются на
испытуемое устройство USB.
Среди всех аспектов тестирования
одним из важнейших является тести-
рование по маске. Его необходимо про-
водить только для высокоскоростного
режима High Speed (HS). В разделе 7.1.2.2
спецификации [1] даны определения
нескольких тестов по маске для режима
HS. В настоящей работе кратко рассма-
тривается тест по маске передатчика USB
2.0 и показывается способ его выполне-
ния с помощью осциллографов R&S RTO.
Глазковые диаграммы и
тестирование по маске
Глазковые диаграммы используют-
ся для определения качества сигнала
1
С е т и и и н т е р ф е йс ы
Рис. 1. Схема испытательной установки для тестирования по маске протокола USB 2.0
Рис. 2. Сечения тестирования по маске
Тransceiver — приемопередатчик; Traces — проводники; Connector — разъем; USB cable — USB-кабель; Hub circuit board — ядро
системы; Device circuit board — подключаемый компонент
во временной области. С этой целью
поток данных непрерывно повторяет-
ся, идущий сигнал разделяется на еди-
ничные интервалы. Осциллограммы
от отдельных битов накладываются в
пределах одного отображения, что и
формирует глазковую диаграмму. Такие
показатели качества как раскрыв глаз-
ка (снижение амплитуды за счет шума
и спада) и ширина глазка (уменьшен-
ное время раскрытия за счет джиттера)
оцениваются по ее виду. Раскрыв глаз-
ковой диаграммы тестируется на соот-
ветствие маске конкретного стандарта.
Части сигнала не должны нарушать гра-
ниц маски.
При тестировании рассматривают
режимы нисходящей и восходящей
передач. В первом случае тестируется
передатчик USB-хоста, во втором —
подключаемого устройства. При
проведении измерений средство
измерений (например, осциллограф)
необходимо подключить через око-
нечные резисторы. На рисунке 1 пока-
зана схема измерений, реализован-
ная с помощью приспособлений для
тестирования USB. В продаже имеют-
ся готовые средства тестирования,
например, [2]. Измерения проводятся
на дифференциальных линиях данных
D+ и D–.
Для тестов по маске в спецификации
стандарта USB 2.0 определен тестовый
пакет, который имеет длину 488 битов и
длительность 1,0166 мкс. Он непрерыв-
но повторяется с заданной циклично-
стью. Тестовый пакет включает заголо-
вок (Sync + Data0 PID), полезные данные
(различные битовые шаблоны), цикли-
ческий контроль избыточности (CRC) и
данные конца пакета (EOP).
Для отдельных плоскостей тестиро-
вания (TP), показанных на рисунке 2,
заданы различные шаблоны масок.
Обычно тесты по маске проводят в
плоскостях TP2 и TP3. Точки TP1 и TP4
расположены прямо на микросхемах
www.elcomdesign.ru
приемопередатчиков, и тестирование
в них необязательно.
Стандарт USB 2.0 предусматрива-
ет тестирование по шести шаблонам,
отличающимся направлением переда-
чи и типом тестируемого устройства.
Среди этих шаблонов предусмотрены
два вспомогательных, предназначен-
ных для инженерной отработки пере-
дачи данных.
Шаблоны USB-передачи опреде-
ляют минимальные и максимальные
пределы амплитуды, а также пределы
для открытого «глаза» и охватывают
тестирование динамических характе-
ристик сигнала на выходе передатчика
(уровни выходного напряжения, пря-
мые/обратные выбросы, спады, время
нарастания/спада и дрожание фазы).
Целью отработки функций передатчика
является получение сигнала с широко
открытым «глазом», чтобы гарантиро-
вать надежную передачу данных.
Шаблоны USB-приема определяют
минимальные и максимальные преде-
лы амплитуды и область открытого
«глаза». Тестовый сигнал имеет мень-
шие пределы открытого «глаза» для
проверки возможности восстановле-
ния переданных данных.
Тестирование передатчика
USB 2.0 с использованием
осциллографа R&S RTO
Для выполнения тестирования вос-
пользуемся осциллографом R&S RTO.
Он имеет высокие динамические харак-
теристики за счет малошумящего вход-
ного каскада и аналого-цифрового пре-
образователя с эффективным числом
битов более 7. Другим важным свой-
ством R&S RTO является поддержка во
всей полосе частот диапазонов чувстви-
тельности, лежащих ниже 10 мВ/дел.
Cистема синхронизации функциониру-
ет в режиме реального времени, что
значительно снижает джиттер запуска
и повышает чувствительность.
Для примера рассмотрим тестиро-
вание восходящих каналов передачи. В
схеме измерений (см. рис. 3) использо-
вана вспомогательная плата. Внешний
ПК с установленной программой
HS-Electrical Test Tool, предназначенной
для тестирования, подсоединяется к
порту INIT. Осциллограф RTO посред-
ством дифференциального пробника
подсоединяется к плоскости тестиро-
вания с соответствующими линиями
данных D+ и D–, а испытуемое устрой-
ство (иу) подсоединяется к порту Test.
Инициация передачи обеспечивает-
ся соответствующими настройками и
выбором тестового пакета в программе
HS-Electrical Test Tool. После этого задан-
ный пакет для тестирования USB 2.0
длиной 488 битов и длительностью
1,0166 мкс должен быть сформирован
в иу. В спецификации тестирования [1]
Рис. 3. Схема измерительной установки
Рис. 4. Настройка запуска для тестового пакета USB 2.0
С е т и и и н т е р ф е йс ы
2
Рис. 5. Вид тестового пакета USB 2.0
определено, что для тестирования
качества сигналов в режиме HS необ-
ходимо использовать дифференциаль-
ный пробник, например, R&S RT-ZD30
или R&S RT-ZD40, подключив его к разъ-
емам D+ и D–. Для проведения анали-
за необходимо захватить, по крайней
мере, один полный тестовый пакет. Для
этого устанавливается запуск по време-
ни простоя между пакетами (см. уста-
новки и режимы на рисунке 4).
После захвата сигнала и подстрой-
ки масштаба на экране будет виден,
по крайней мере, один тестовый пакет
целиком, как показано на рисунке 5.
Для этого следует установить масштаб
по горизонтали 200 нс/дел и изменить
позицию запуска на значение 10%.
Поскольку номинальные уровни диф-
ференциального напряжения USB 2.0
составляют ±400 мВ, установка верти-
кального масштаба 100 мВ/дел обеспе-
электронные компоненты №5 2014
3
С е т и и и н т е р ф е йс ы
Рис. 6. Соотношение рассчитанной глазковой диаграммы и тестовой маски
чит наилучшее представление сигнала.
Далее следует сохранить получен-
ную осциллограмму в формате *.csv, в
результате чего будут получены файлы
с временными и амплитудными пара-
метрами. Для дальнейшей обработки
необходимо объединить их с исполь-
зованием конвертера, выпущенно-
го компанией R&S, в результате чего
получается файл с комбинированными
данными, который и используется для
тестирования по маске.
Для проведения анализа качества
сигналов в высокоскоростном режиме
на приборе RTO или на любом другом
компьютере используется программа
USB-IF Electrical Test Tool. В настрой-
ках программы указывают текущий тип
тестирования. На основе сохраненных
данных она вычисляет глазковую диа-
грамму и выполняет тестирование по
маске с помощью соответствующего
шаблона. Результаты тестирования
выводятся в html-файл. В нем приводит-
ся отчет с численными характеристика-
ми джиттера и другими параметрами,
а также с заключением о годности иу.
Результаты тестирования пред-
ставляются в графической форме
(см. рис. 6). На глазковой диаграмме в
шаблоне маски можно видеть номи-
нальные уровни ±400 мВ и нарастаю-
щие и спадающие битовые переходы.
В данном примере границы внутрен-
ней маски и максимальные пределы не
нарушаются. Если граница маски нару-
www.elcomdesign.ru
шена, соответствующие точки данных
будут помечены. Аналогично проводит-
ся тестирование нисходящего канала.
Заключение
В статье продемонстрирован про-
стой и экономически эффективный спо-
соб тестирования сигналов стандарта
USB 2.0 по маске с помощью осцилло-
графов R&S RTO, оснащенных активны-
ми дифференциальными пробниками.
Тесты по маске являются эффектив-
ным средством проверки целостности
сигналов при проведении отладки и
тестирования. Возможные нарушения в
виде недостаточных значений времени
нарастания/спада, выбросов, джиттера
или шума определяются без особых
затруднений.
Цифровой осциллограф R&S RTO
зарекомендовал себя в качестве подхо-
дящего прибора для захвата сигналов
с целью получения надежных резуль-
татов измерений. Официальные про-
граммные средства, предоставляемые
Форумом по внедрению USB на сайте
usb.org, позволяют провести скорост-
ной анализ и отобразить все результаты
в одном отчете. Помимо анализа тестов
по маске программа USB-IF Electrical
Test Tool выполняет дополнительное
тестирование качества сигнала, напри-
мер, определяет скорость передачи
данных, монотонность фронтов, ско-
рость нарастания/спада и дополни-
тельную информацию о джиттере.
ASSISTANT
Статья Бернхарда Шульца и Гвидо Шульце посвящена тестированию устройств, работающих по протоколу USB 2.0, с использованием цифровых осциллографов R&S®RTO. В ней подробно рассматривается процедура тестирования по маске и предложена схема измерений, а также дан пример анализа тестовой битовой последовательности стандарта USB 2.0 с помощью осциллографа R&S RTO.
### Введение
Протокол USB 2.0 поддерживает три режима работы с различными скоростями передачи данных: 1.5 Мбит/с, 12 Мбит/с и 480 Мбит/с. Для каждого режима установлены собственные испытания, которые обеспечивают качественный обмен данными между устройствами. Тестирование передатчика осуществляют с помощью осциллографов с полосой пропускания не менее 2 ГГц, в то время как для тестирования приемника требуется генератор, способный формировать специальные тестовые сигналы.
### Глазковые диаграммы и тестирование по маске
Глазковые диаграммы используются для оценки качества сигнала во временной области. Тестирование по маске требуется в высокоскоростном режиме (High Speed, HS) и включает в себя применение шаблонов масок, при этом части сигнала не должны выходить за пределы маски.
### Тестирование передатчика USB 2.0
Статья описывает, как проводить тестирование передатчика USB 2.0 с использованием осциллографа R&S RTO. Оборудование оснащено высококачественными входами и цифровыми преобразователями, что позволяет минимизировать шум и джиттер при измерениях. Рассматривается схема измерений, а также методы настройки осциллографа и захвата тестовых данных.
### Процедура тестирования
Для анализа sinais, такая как задержка, амплитуда и джиттер, необходимо использовать дифференциальные пробники. После захвата сигнала, данные сохраняются и обрабатываются с помощью программы USB-IF Electrical Test Tool, которая вычисляет глазковую диаграмму и проводит тестирование по маске.
### Заключение
Тестирование по маске является важным этапом в обеспечении целостности сигналов при разработке и тестировании устройств USB 2.0. Осциллографы R&S RTO и специализированное программное обеспечение позволяют эффективно проводить анализ сигналов, выявляя возможные нарушения в качестве передачи данных.
Статья подчеркивает важность качественного тестирования для достижения надежности при использовании USB 2.0, а также демонстрирует возможности оборудования и методологий, применяемых в процессе тестирования.