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用示波器测量通用串行总线 (USB)
普通人从小就接触电脑，熟悉 USB 电缆的外观和感觉，并且通常知道分别插入主机和外围设备端口的 A 型插头和 B 型插头之间的区别。众所周知，现在无处不在的手机或数码相机等小型设备需要带有迷你和微型插头的专用电缆。
与同轴电缆和以太网电缆一样，USB 协议允许提供电力和数据。不同的端 A 和 B 插入计算机或其他设备中的相应插座。A 端是标准的，而 B 端可能是标准的、迷你的或微型的。
USB 起源于 1994 年，由 Compaq、DEC、IBM、Intel、Microsoft 和 Nortel 共同开发。Apple Inc. 的 IMac 是 USB 的早期实现，其惊人的成功促使 USB 被广泛用于许多其他产品。Apple 和主要 PC 制造商很快淘汰了旧式数据/电源端口，USB 很快便普及开来。
USB 3.0 规范于 2008 年颁布。2010 年发布了采用新技术的新一代设备，该技术提高了数据传输速度、降低了功耗、提高了功率输出并具有向后兼容性。USB 3.1（有时称为 USB 3.1 Gen 2）于 2013 年问世。它将 USB 3.0 的速度提高了一倍，达到 10 Gbps（现在称为 SuperSpeed+ 或 SuperSpeed USB 10 Gbps）。USB 3.1 向后兼容 USB 3.0 和 USB 2.0。
USB 分配系统采用星型结构而非菊花链拓扑结构，并且是不对称的。这意味着电缆的两端并不相同，无论是终端类型还是数据和电流流。有许多下游端口允许连接外围设备，这些设备可以同时处于活动状态。与电话线不同，USB 电缆不能拼接。分支线必须通过 USB 集线器以以太网的方式分层。最多 127 个设备（包括集线器）可以连接到单个主机，对于计算机来说，该主机可能包含一个根集线器和几个端口。相比之下，示波器通常配备单个端口，可用于将仪器联网或接受键盘或单个闪存驱动器以保存波形和/或设置。
USB 设备通常包括协同工作的子设备。例如，网络摄像头是一种复合设备，包含麦克风，与视频部分分开。还有一种复合设备，由两个或多个独立实体组成，这些实体内置于相同的物理外形中。
USB 连接的基本单元是管道，即逻辑通道。管道从主机控制器连接到端点，端点是位于设备内的单个逻辑输入。每个管道都有一个端点。可以想象，一个设备上最多可以有 32 个端点，管道数量也相同。
管道可以分为流管道和消息管道，两者的主要区别在于消息管道是双向的，具有控制功能，而流管道则是单向的。
为了启动数据传输会话（USB 的一半功能是数据传输，另一半功能是电源），主机会传输一个令牌包，该令牌包指定带有端点的管道。主机可以发送一个包含目标设备地址和端点号的 Out 数据包。另一方面，如果信息流是从设备流向主机，则会发送 In 数据包。如果令牌包因移动方向错误而不合适，则会被忽略。
USB 枚举过程始于设备首次连接到主机时。然后向设备发送重置信号。这决定了整体数据速率。随后，设备接收其地址并将其发送到已配置的状态。现在将枚举所有连接的设备。与其他某些总线类型不同，主机独自引导信息流。如果没有这种复杂性，设备就无法发送数据。
由于 USB 电缆不仅传输电力，还传输数据，因此两端必须配备不同的、不兼容的连接器。这是必要的，这样两个电源（如极性相反的主机）就无法相互连接，否则会导致直接短路并产生很大的故障电流。
USB 连接器的设计使得插头处的外部护套在电缆内的四根导线接触之前进行电接触。护套连接到系统接地。这减轻了连接器附近外部的电磁干扰，因为连接器附近无法保持紧密的导线绞合率和差分信号。由于引脚的长度，电源和接地连接在数据连接之前进行，因此可以安全地完成热插拔。
例如，泰克的一款软件包用于自动执行 10 Gbps USB 3.1 Gen 2 BER 轮廓测试，可运行发射机和接收机测试。它可自动运行 DUT 控制和模式验证，以捕获所需的数据模式（CP0、CP1、CP9、CP10 等），并自动执行规范性和信息性发射机测试。它还可报告 PDF、MHT 和 CSV 格式的测试裕度、通过/失败结果和图表的详细信息。
USB 接收器测试软件可以运行错误分析工具（如模式排序和错误位置分析），帮助查找误码原因。它还将执行基于 BERT 的抖动容限测试，并模拟不同的通道长度和电缆组合。
低端示波器也可以运行 USB 测试，但可能不具备同等程度的自动化。此外，值得注意的是，USB 3.1 规范的测试要求示波器带宽至少为 16 GHz，以便准确测量所涉及的 10 Gb/秒数据速率。
USB 使用差分传输对传输数据。差分 1 的传输方式是，使用 15 kΩ 电阻将 D+ 线拉至 2.8 V 以上，使用 1.5 kΩ 电阻将 D- 线拉至 3.6 V 以下。差分 0 的传输方式是，使用相同的下拉/上拉电阻，将 D- 传输为大于 2.8 V，将 D+ 传输为小于 0.3 V。
请注意，示波器探头接地必须是 USB 接地。将示波器接地后，单通道示波器可以监控 D+ 或 D-。双通道示波器可以监控两者，数据传输时应该可以看到相位反转。一个通道连接到 D+，另一个通道连接到 D-。两个探头的接地夹相互连接。然后显示信号，使它们相减 (XY)，因为 USB 是差分信号。
这就是普通用户需要了解的有关 USB 的全部内容。但实际上，现在这种全双工信息通道背后隐藏着相当多的技术。USB 线的外观相似，但仔细观察就会发现不同。除了各种不兼容的连接器外，还有五种数据传输类型：低速（1.00 版）、全速（也是 1.0 版）、高速（2.0 版）、超高速（3.0 版）和超高速 +（3.1 版）。每种模式都需要不同的电缆和硬件。
与同轴电缆和以太网电缆一样，USB 协议允许提供电力和数据。不同的端 A 和 B 插入计算机或其他设备中的相应插座。A 端是标准的，而 B 端可能是标准的、迷你的或微型的。
USB 起源于 1994 年，由 Compaq、DEC、IBM、Intel、Microsoft 和 Nortel 共同开发。Apple Inc. 的 IMac 是 USB 的早期实现，其惊人的成功促使 USB 被广泛用于许多其他产品。Apple 和主要 PC 制造商很快淘汰了旧式数据/电源端口，USB 很快便普及开来。
USB 3.0 规范于 2008 年颁布。2010 年发布了采用新技术的新一代设备，该技术提高了数据传输速度、降低了功耗、提高了功率输出并具有向后兼容性。USB 3.1（有时称为 USB 3.1 Gen 2）于 2013 年问世。它将 USB 3.0 的速度提高了一倍，达到 10 Gbps（现在称为 SuperSpeed+ 或 SuperSpeed USB 10 Gbps）。USB 3.1 向后兼容 USB 3.0 和 USB 2.0。
USB 分配系统采用星型结构而非菊花链拓扑结构，并且是不对称的。这意味着电缆的两端并不相同，无论是终端类型还是数据和电流流。有许多下游端口允许连接外围设备，这些设备可以同时处于活动状态。与电话线不同，USB 电缆不能拼接。分支线必须通过 USB 集线器以以太网的方式分层。最多 127 个设备（包括集线器）可以连接到单个主机，对于计算机来说，该主机可能包含一个根集线器和几个端口。相比之下，示波器通常配备单个端口，可用于将仪器联网或接受键盘或单个闪存驱动器以保存波形和/或设置。
USB 设备通常包括协同工作的子设备。例如，网络摄像头是一种复合设备，包含麦克风，与视频部分分开。还有一种复合设备，由两个或多个独立实体组成，这些实体内置于相同的物理外形中。
USB 连接的基本单元是管道，即逻辑通道。管道从主机控制器连接到端点，端点是位于设备内的单个逻辑输入。每个管道都有一个端点。可以想象，一个设备上最多可以有 32 个端点，管道数量也相同。
管道可以分为流管道和消息管道，两者的主要区别在于消息管道是双向的，具有控制功能，而流管道则是单向的。
为了启动数据传输会话（USB 的一半功能是数据传输，另一半功能是电源），主机会传输一个令牌包，该令牌包指定带有端点的管道。主机可以发送一个包含目标设备地址和端点号的 Out 数据包。另一方面，如果信息流是从设备流向主机，则会发送 In 数据包。如果令牌包因移动方向错误而不合适，则会被忽略。
USB 枚举过程始于设备首次连接到主机时。然后向设备发送重置信号。这决定了整体数据速率。随后，设备接收其地址并将其发送到已配置的状态。现在将枚举所有连接的设备。与其他某些总线类型不同，主机独自引导信息流。如果没有这种复杂性，设备就无法发送数据。
由于 USB 电缆不仅传输电力，还传输数据，因此两端必须配备不同的、不兼容的连接器。这是必要的，这样两个电源（如极性相反的主机）就无法相互连接，否则会导致直接短路并产生很大的故障电流。
USB 连接器的设计使得插头处的外部护套在电缆内的四根导线接触之前进行电接触。护套连接到系统接地。这减轻了连接器附近外部的电磁干扰，因为连接器附近无法保持紧密的导线绞合率和差分信号。由于引脚的长度，电源和接地连接在数据连接之前进行，因此可以安全地完成热插拔。
USB 发射器和接收器规格的示波器测试可能相当复杂。有标准波形用于表征 USB 电路的行为。高端示波器供应商（如Keysight和Tektronix）通常提供专门设计用于自动执行大量 USB 测试的特殊软件包，这些示波器可用于 USB 的误码率测试 (BERT)。
例如，泰克的一款软件包用于自动执行 10 Gbps USB 3.1 Gen 2 BER 轮廓测试，可运行发射机和接收机测试。它可自动运行 DUT 控制和模式验证，以捕获所需的数据模式（CP0、CP1、CP9、CP10 等），并自动执行规范性和信息性发射机测试。它还可报告 PDF、MHT 和 CSV 格式的测试裕度、通过/失败结果和图表的详细信息。
USB 接收器测试软件可以运行错误分析工具（如模式排序和错误位置分析），帮助查找误码原因。它还将执行基于 BERT 的抖动容限测试，并模拟不同的通道长度和电缆组合。
低端示波器也可以运行 USB 测试，但可能不具备同等程度的自动化。此外，值得注意的是，USB 3.1 规范的测试要求示波器带宽至少为 16 GHz，以便准确测量所涉及的 10 Gb/秒数据速率。
USB 2.0 电缆和连接器的引脚排列。
USB 使用差分传输对传输数据。差分 1 的传输方式是，使用 15 kΩ 电阻将 D+ 线拉至 2.8 V 以上，使用 1.5 kΩ 电阻将 D- 线拉至 3.6 V 以下。差分 0 的传输方式是，使用相同的下拉/上拉电阻，将 D- 传输为大于 2.8 V，将 D+ 传输为小于 0.3 V。
请注意，示波器探头接地必须是 USB 接地。将示波器接地后，单通道示波器可以监控 D+ 或 D-。双通道示波器可以监控两者，数据传输时应该可以看到相位反转。一个通道连接到 D+，另一个通道连接到 D-。两个探头的接地夹相互连接。然后显示信号，使它们相减 (XY)，因为 USB 是差分信号。
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