USB-meetadapter: test stroom en signaalkwaliteit van USB-poorten

Wanneer randapparatuur die is aangesloten op een PC niet werkt of zich onvoorspelbaar gedraagt, levert een grondige storingsanalyse van de USB-poort – die verder gaat dan eenvoudigweg opnieuw aansluiten of verschillende PC’s proberen – vaak meer duidelijkheid. Met de hier gepresenteerde compacte adapter kunt u een oscilloscoop-probe in de USB-aansluiting steken. Dit maakt zowel stroommeting als visualisatie van de USB-communicatie mogelijk.
 

In dit artikel presenteren we een compact, praktisch hulpmiddel voor metingen aan USB 2.0-verbindingen. De belangrijkste functies zijn:

• Statische en dynamische meting van de voedingsstroom van aangesloten apparaten.
• Randapparatuur kan rechtstreeks worden gevoed via de meetadapter.
• Eenvoudige signaalkwaliteitsmeting van high-speed datalijnen.
• Twee LED's geven de aanwezigheid van een 5-V voeding van zowel de PC als het randapparaat aan.

Beschrijving van de schakeling

Figuur 1 toont de relatief eenvoudige schakeling en figuur 2 de compacte layout van de adapterprint; de layout-bestanden zijn online beschikbaar . Op de print van figuur 3 ontbreekt diode D1. De PC wordt aangesloten op J1, een USB type B-connector, met een USB-A/USB-B-kabel. Het randapparaat wordt aangesloten op J2, een USB type A-aansluiting.

De stroom wordt gedetecteerd als een spanningsval over shuntweerstand R3 via connector JP3. Statische stroommetingen kunnen worden uitgevoerd met een multimeter (meestal in het millivoltbereik). Voor het detecteren van snelle stroomveranderingen moet een oscilloscoop worden aangesloten op JP3 – idealiter met een speciale stroomprobe. Twee varianten van zulke probes, die zelfs galvanisch gescheiden metingen van snelle signalen mogelijk maken, zijn eerder beschreven in Elektor.

De pinning van connector JP3 maakt directe aansluiting van deze probes mogelijk. Figuur 4 toont de USB-meetadapter met de stroomprobe 2.0 aangesloten. Figuur 5 toont het stroomprofiel van een USB WiFi-dongle die regelmatig een grote stroom trekt, ten gevolge waarvan zwakkere 5-V plug-in voedingen zich vaak uitschakelen.

Met jumper JP1 kan de 5-V voedingslijn tussen de host (J1) en het randapparaat (J2) worden verbroken. In dergelijke gevallen kan externe voeding aan het randapparaat worden geleverd via connector X1 – ideaal wanneer het randapparaat meer stroom vraagt dan wat de USB-poort van de PC kan leveren. USB 2.0-poorten zijn beperkt tot 500 mA, wat bij sommige randapparaten al instabiliteit kan veroorzaken.

Zenerdiode D1 beperkt niet alleen overspanningen (in het uiterste geval door zichzelf op te offeren), maar biedt ook bescherming tegen omgekeerde polariteit door zijn antiparallelle diode. Dit is echter slechts een tijdelijke basisbeveiliging. Speciale zorg moet worden besteed aan het aansluiten van een labvoeding om er zeker van te zijn dat de uitgangsspanning onder de zenerspanning van D1 blijft. LED1 en LED2 geven respectievelijk de aanwezigheid van 5V-voeding aan de host- en apparaatzijde aan.

Datasignalen

Om datasignalen en hun integriteit te evalueren kan een high-speed oscilloscoop met een geschikte probe op JP2 worden aangesloten. Een compatibele actieve, differentiële high-speed probe is ook eerder beschreven in Elektor . Figuur 6 toont deze probe aangesloten op de USB-meetadapter. Figuur 7 toont de gemeten datasignalen op het scherm van een 350MHz-oscilloscoop.

Natuurlijk is de USB meetadapter niet beperkt tot USB 2.0; hij kan ook worden gebruikt om langzamere randapparatuur te analyseren, met ondersteuning voor USB 1.0- en 1.1-signalen. De auteur heeft nog een beperkt aantal onbestukte printen beschikbaar.

Opmerking van de redactie: Dit volledige artikel (240175-03) is verschenen in Elektor Circuit Special 2025.

Vragen of opmerkingen?

Hebt u technische vragen of opmerkingen naar aanleiding van dit artikel? Stuur een e-mail naar de auteur via alfred_rosenkraenzer@gmx.de of naar de redactie van Elektor via redactie@elektor.com.