USB2.0の信号取り出しについて

質問

最近電子工作を始めました。

USB2.0から元信号（シングルエンド）を取り出したいのですが、過去にこのようなQ&A掲示板で質問し教えて頂いた内容を参考にし、添付したした図面の回路を考えてみました。

USB2.0の差動信号は2種類で、3.3Vと0.4Vがあるみたいです。
http://www.kumikomi.net/archives/2007/03/22usb1/zu04_01b.gif
に信号の解説がありました。

ここで質問です。

#1.この様な電圧が違う2種類の差動信号に、選択したコンパレータで元信号（シングルエンド）の取り出しは可能かどうか？

#2.可能であればコンパレータに3.3V信号入力時と0.4V信号入力時では、出力電圧に差は出てくるのか？

#3.R1は入れる必要があるか、必要な場合何Ω位が妥当か？

等の疑問が生じました。

知識をお持ちの方のご回答お願い致します、またはこの回路以外でも両信号を取り出せる方法があればこれもお聞かせください。

ご回答とご意見を参考にブレッドボードなどを使用し検証したいと考えています。

回路を考えたり、検証したりするのが楽しいので、うまく動作しなかったり、回路が燃えてもしょうがないと思っています。

宜しくお願い致します。

回答No.4

HanpaMon · ベストアンサー

こんにちわ。

部品の選定については、結構手間がかかるので、ご容赦ください。
（仕事でやっているので、なるべくオフにはやりたくないのです）

メーカーのホームページ、データシートを確認ください。
ICメーカの部品選定ページには大事な特性だけが一覧で載っています。

・・・

では芸が無いので、とりあえずデータシートの見方だけ。

過去の私の回答です。
http://hatsugen.zakzak.co.jp/qa6380563.html

マイコンのデータシートの見方ですが、考え方は大体共通です。
非常に長いですが、２－１、２－２、２－３の最初の１０行位読めば
考え方がわかると思います。
http://www001.upp.so-net.ne.jp/FITDESIGN/manu2.htm

あと、LEDを目視するための方法です。
LEDを見る、ためには光度＝電流を稼ぐ必要がありますが、
これはDC電流を流せばOKです。
しかし、もうひとつの問題は通信している時間＝光っている時間が短い事
です。

もしかしたら、そのままで見えるかもしれませんが、単位時間あたりで
光っている時間が短すぎて見えないかもしれません。

その時電流をいくら増やしても効果はありません。

もしそうであれば、時間を延ばす必要があります。

通信によって出た信号を単安定マルチバイブレータ回路に入れて
時間を延ばしてやればよいと思います。

たとえば通信が１００μｓで終わったとしたら、ほぼ光は見えません。
しかしその通信により１００ｍｓの間光るように単安定マルチを作れば
その通信が数回あればちかちか光って見えます。

こんなところでどうでしょうか。

お礼

有難う御座います。これまで教えて頂いた分だけでも大変参考になりました。とりあえず趣味の世界なのでタイムリミットはありません、ですのでゆっくり調べていきたいと思います。また、ご紹介いただいた過去回答やデータしート見方、ご記入いただいた時間の延ばし方も有益な情報で喜んでおります。今後の創作には欠かせない内容だと思います。

この度は、色々教えて頂き大変感謝致します。お世話様でした。

回答No.3

HanpaMon

目的がUSBアクセスランプだとすれば、通信の全てを捕捉する必要は
無いですね。
330mVを許容というのはその電圧でも捕まえられるという最低電圧
だと思うので、OKと思います。

ちなみに、アクセスランプであれば、差動を捕まえなくても
片側の信号だけでもいいので、普通の超高速のバッファでも
良いのではないでしょうか？

半田付けもDIPのICの方がやりやすいですし。
（ただ高速のICでDIPは少ないですけど）

補足

調べたりしていたらコンパレータにたどり着いただけなので、ご指摘のとおり差動を捉えるのにこだわらなくても大丈夫です。
知識不足もあり、当初350mVの微弱な電圧の信号を捕まえてLEDを光らせるだけの出力出来る素子があるかわからない事に加え3.3Vの信号まであったのでどういしたら良いのかずっと考えていました。

作動のバランスを崩さないでPCとデバイスの通信に影響を与ないようにし3.3Vと350mV捕まえられれば片側だけ捕る方法も非常に興味深い話ですね。期待が膨らみます。
先ほど期待しつつ高速バッファーを検索したのですが、色々出てきて調べが着くまで時間が掛かりそうなのでお伺いしますが、もしおすすめの物があれば恐れ入りますがご紹介下さい。DIPは理想ですが、表面実装タイプでも大丈夫です。

最終的には、高速通信の信号をそのまま増幅してLEDを光らせても、人間の目では点滅ではなく点灯にしか見えなく面白くないので、そのへんはわざと点滅させていかにもアクセスしているように見せかける仕組みにしたいと思っています。

よろしくお願いします。

回答No.2

HanpaMon

LM393だと遅延時間がかかりすぎではないかと思います。
負荷容量にもよりますが、数百ｎｓ～１μｓ位かかりますね。

http://www.alldatasheet.jp/datasheet-pdf/pdf/227695/STMICROELECTRONICS/LM393.html

ラインレシーバーICが良いと思います。
まじめにカタログを見ていないですが、こういうタイプのものではどうでしょうか？

http://www.analog.com/jp/interface/lvds/adn4668/products/product.html

LVDS用なので、USB用では無いですが。またTSOPなので、組み込みは面倒そうだし、
入手も可能かわかりませんが、カテゴリーとしてこういうICの方が良いと思います。

取り出す目的が良くわからないので的確かどうかはわかりませんが、
カタログの見方としては

1．電源電圧（ほぼ）＝信号電圧
２．速度（遅延時間）

を注意すれば良いと思います。

補足

すばらしい回答有難うございます。

USB2.0ハイスピードの1ビットの幅を1μsと見間違えていました。実際は1nsでした、3桁も違っていましたね。我ながら情けないです。
LM393の遅延時間（データ表の応答時間とか反応時間かな？）ですと、全くついて行けず何も出力しないかもしれませんね。

ご紹介頂いたラインレシーバICはこれをクリアしますが、データ表を見間違えてなければLVDS規格の信号電圧310mV許容と書いてありますね。ロースピードやフルスピード時の3.3Vの信号時は切り離す必要が有りますでしょうか？それとも「RINx－とRINx+ の電圧範囲は－0.2 V～VCC － VID/2です」とも書いてあります、約3.5Vですね。これだと各通信速度の差動電圧に対応するので条件は満足しますね。

信号を取り出す目的はUSB装置（メモリやドライブなどなど）がPCと通信しているのを目で見て分かる装置（多分LED）を作りそれに入力させるためでした。

何とかうまく行くと良いのですが・・・

回答No.1

take0_0

R1は適当で良い（結局、数百Ω）と思いますが、R2は電源ではなく、非反転端子に配線すべきでは？
で、ヒステリシスコンパレータを形成すべきかと。

0.2V程度をスレッショルドにすればよいかと思いますが、ノイズ量は規格で決まっていないと思うので、難儀ですね。

補足

ご回答感謝します。

ノイズの件については、取り出した信号からデータを読み取る目的ではないので多少ノイズ混じりでも構いません。

最終的にはリンク先http://www.kumikomi.net/archives/2007/03/22usb1/zu04_01b.gif
の波形図面内の説明の3.3Vの差動信号（ロー/フルスピード時の信号）も、0.4Vの差動信号（ハイスピード時の信号）も5Vのシングルの信号みたいな出力になればと期待しています。

R2を電源ラインに接続したのは、393タイプのコンパレータはオープンコレクタ出力だったのでLV-TTLレベルが欲しかったためです。（注意：コンパレータの理屈は文献で多少理解はしていますが、実際の動作は試したことはないのでもしかしたら間違った事を想像しているかも知れません）

私的にはそれ程ハードルは高くない気はするのですが如何でしょうか？