基于ATE的SIP數字溫度傳感器測試方法

摘 要：常規的數字溫度傳感器芯片測試通常需要使用支持該芯片通信協議的上位機進行初步配置，再通過專門的測試設備進行集成電路測試。然而，這種方式存在硬件復雜、流程繁瑣等缺點，導致其測試成本增加，批量測試難度提高。為此，介紹了一種基于兩線制通信時序的數字ATE（自動化測試設備）測試方法，用于生成數字溫度傳感器的主要功能測試向量。以SD5075數字溫度傳感器為例，研究了基于ATE的兩線制通信數字溫度傳感器的測試程序，并覆蓋了電路交流、直流參數自動測試，優化了測試向量時序，從而提升了ATE與數字溫度傳感器電路之間兩線制通信的穩定性。

關鍵詞：數字溫度傳感器；集成電路測試；數字ATE；上位機；兩線制通信；測試向量時序

中圖分類號：TP39；TN407 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2025）07-00-04

0 引 言

溫度傳感器是一種將溫度物理量轉換成電信號的集成電路。而數字溫度傳感器是通過芯片內部集成的模數轉換電路（ADC）進一步將電信號轉變成易于傳輸的數字信號以供用戶使用[1]。當下主流的數字溫度傳感器芯片支持采用RS 232協議、RS 485協議和I2C/SMBus協議等多種通信協議進行芯片配置。I2C/SMBus協議因其近距離通信時具有可變傳輸速度且成本較低的特點，在數字溫度傳感器中被廣泛采用[2]。

本文以SD5075和LM75A傳感器為例，討論并提出了一種基于自動化測試設備（ATE）的兩線通信協議數字溫度傳感器芯片測試方法。該方法可有效地簡化兩線通信的數字溫度傳感器的測試流程，從而降低測試生產硬件成本并提高測試生產效率。

1 數字溫度傳感器電路基本模型

1.1 電路基本模型

SD5075和LM75A是2款可以相互替換的兩線通信數字溫度傳感器，本文將以SD5075為例簡單概括其基礎結構和功能特性[3]。SD5075傳感器如圖1所示，其除電源和接地之外還擁有3個數字地址信號管腳（A0～A2）、兩線通信管腳（SDA/SCL）和過溫報警管腳（ALARM）。其支持2.5～ 5.5 V的工作電壓，SHDWN模式下功耗小于5 μW，并且能夠在-55～125 ℃的工作溫度下保證典型測溫誤差小于±1 ℃。 SD5075的具體管腳說明見表1。

數字溫度傳感器可以將物理溫度轉換成電信號，再通過其芯片中的高精度ADC將電信號進一步轉變為可存儲的數字信號，并且可將測量溫度所反映的電流結果保存在其溫度結果寄存器中（地址為0x00H）[4]。該芯片作為從機，可以通過兩線通信I2C/SMBus與主機交換數據，該電路的主要結構功能如圖2所示。其可以通過模數轉換器，將溫度傳感器輸出的溫度模擬電壓轉換成可以讀取的二進制碼存入0x00H寄存器中，并且可以將該模擬電壓與電壓監控模塊的閾值電壓進行比較，從而實現過溫報警功能。

1.2 兩線制通信功能描述

電路通過I2C通信方式與上位機通信時，操作對應地址寄存器進行寫數據時的通信時序如圖3所示。SDA第1字節為從機物理地址，第2字節為寄存器指針位，第3字節為需寫入的數據[5]。

若操作對應地址寄存器寫數據超過1個字節時，需要通過多字節寫入時序進行寫入，在每個字節寫入成功后需要得到從機應答才可以直接進行下一字節數據的寫入。讀數據通信方式與寫數據類似，不同之處在于僅需將發送數據第8位數據更改為1即可讀取寄存器內部數據，其具體通信時序如圖4所示。

2 基于數字ATE的兩線制通信測試系統設計

廣義上的集成電路自動化測試儀器統稱為ATE（Automatic Test Equipment），根據所測試的機器性能可以分為模擬測試設備和數字測試設備[6]。數字ATE一般在計算機的控制下能產生各類測試向量與激勵條件，能夠自動執行輸出向量的測量、數據處理和傳輸，并以可以識別的方式顯示或輸出結

果[7]。在數字ATE的測試中，整個測試過程都是在預先編譯好的測試程序統一調度下進行的。數字ATE中的各種功能都可以通過預留接口進行調用與編輯[8]。ATE測試的基本結構如圖5所示。開發數字ATE測試程序時，針對本文提到的數字溫度傳感器類型SOC，主要利用其精密測量單元（PMU）連接芯片的輸入輸出管腳進行測試。PMU專門用于精確的直流參數測量，能驅動電流進入器件以測量電壓（FIMV）或者向器件施加電壓以測量產生的電流（FVMI）。在對PMU進行編程時，驅動功能可選擇為電壓或電流模式。如果選擇了電流模式，則測量模式自動設置成電壓測量；反之，如果選擇了電壓模式，則測量模式自動設置成電流測量。一旦確定了驅動功能，相應的數值也必須同時被設定。高端數字ATE設備中PMU會整合一個或數個時間測量單元（TMU）來進行交流參數測試，該功能同時可以用來進行芯片的通信測試。本文將以SmartTest為例進行兩線制通信數字溫度傳感器測試程序的設計思路分析[9]。

2.1 測試向量生成

SD5075的I2C通信協議標準模式下，推薦數據傳輸速率為100 Kb/s。在使用Verigy93000生成功能測試向量時可將SCL管腳頻率設置為200 MHz，進而實現100 Kb/s的數據傳輸[10]。在測試向量生成時需要滿足器件交流參數限制條件。

I2C通信數據建立保持時序如圖6所示。在I2C通信中，總線空閑時SDA與SCL應為高電平。在通信開始建立時，數據會在時鐘高電平時被激活[11]，其中通信開始信號為SDA的一個下降沿。在通信結束時，信號為SDA的一個上升沿。進行寫操作時，在傳輸8 bit數據后從機會產生一個低電平應答信號進行校驗，讀數據時該應答校驗信號由主機產生[12]。需注意的是，圖6中的參數t2為數據建立時間，即在從機接收數據時需要在時鐘高電平前進行數據建立的最小時間；t3為數據保持時間，為從機發送數據時數據會在時鐘高電平結束之后保持的時間[13]。綜上所述，生成ATE進行寄存器寫操作的向量如圖7所示。

在使用ATE生成讀寄存器向量時，需要用到digital capture功能進行采樣，采樣點的設置需要滿足圖6中數據保持時間t3的限制。若采樣點小于t3的最小值，則可能會錯誤地讀取到上一字節的輸出數據，導致測試數據錯位功能失效。綜上所述，生成ATE進行寄存器讀操作的向量如圖8所示。在測試過程中，可以使用數字ATE對被測電路（DUT）施加與測試向量相對應的激勵，之后觀察其輸出響應，以此來判斷該向量所指向的電路功能是否異常。

2.2 ATE測試結果采樣方法設計

在上述I2C測試向量運行過程中，可使用digital capture功能對輸出管腳進行采樣。在預設的Level Set中需設置采樣所需的輸出比較電壓閾值。當采樣點處電壓高于輸出比較電壓閾值時，使用VECTOR（XXX）. FORMAT（BIN）.GETVECTOR（）函數可得到二進制返回值“1”，反之可得到返回值“0”。需注意，如果輸出管腳處于高阻態，并且輸出端連接了負載，那么此時無法準確判斷其電平狀態。這種情況下，上述函數將輸出一個布爾變量“1”。如果使用int變量調用該函數，將無法判斷其輸出為“0”還是“1”。得到輸出的采樣結果后，可按照最高有效位（MSB）至最低有效位（LSB）的順序進行加權計算，從而得到數字溫度傳感器在指定寄存器地址下的實際輸出值。

3 結果與分析

在SD5075的測試程序中，ATE生成的I2C溫度結果寄存器（0x00H）讀取向量的實際讀取結果如圖9所示。當主機通過I2C通信協議讀取溫度結果寄存器中存儲的數據時，使用MSO8064示波器捕獲并保存了波形，如圖10所示。

對比圖9和圖10的兩組波形可以發現，使用ATE生成的向量在設置了符合I2C通信標準的數據建立時間和數據保持時間參數后，可以完整地模擬上位機在I2C通信中的開始、結束信號以及數據寫入波形。通過該測試向量，可以使用ATE的數字板卡的管腳測量單元和電源板卡在向量運行過程中測試工作電壓（VDD）、工作電流（IVDD）、漏電流（IIN）、待載輸出低電平（VOL）等參數。在測試功能向量運行時，可以通過更改SDA管腳信號的接收時間點和SCL的驅動時間點，并配合使用spec search功能，方便地進行測溫周期、復位時間、時鐘周期等交流參數的測試。在使用ATE讀取到溫度結果寄存器中的數據后，按照最高有效位（MSB）至最低有效位（LSB），并根據式（1）進行加權計算可以得出測試其溫度精確度的最終結果。

TEMP=0bTread ×0.125 （1）

使用ATE的SD5075溫度測試結果如圖11所示，該結果與上位機直接讀取溫度傳感器的結果一致。這表明可以通過ATE生成的向量對SD5075數字溫度傳感器進行寄存器操作，從而基于ATE開發出完整的功能測試程序。

4 結 語

本文探究了將ATE的測試向量生成和計算方法與兩線制數字溫度傳感器通信原理相結合，成功開發了一套針對兩線制數字溫度傳感器的主要功能及其電參數的自動化測試程序，并驗證了電路與上位機通信以及電路與ATE通信的一致性。該程序的開發調試過程對于使用ATE進行串行通信芯片測試程序的開發具有一定的借鑒意義。

在批量化生產測試中，基于ATE開發的兩線制數字溫度傳感器的測試應用相較于上位機測試，效率有著明顯的提升。目前，已實現ATE結合機械手的生產自動化測試，該測試方法已被推廣至其他兩線制通信數字芯片的測試中，整個測試過程穩定可靠，結果準確。

注：本文通訊作者為聶中天。

參考文獻

[1] 張玲玲，王建中，石磊.無線溫度傳感器設計[J].電子與封裝，2011，11（7）：39-43.

[2] 鄭雙雙，劉興輝，張文婧，等.一種具有自校準、自控制功能的I2C接口電路[J].合肥工業大學學報（自然科學版），2023，46（5）：641-645.

[3] 盧霞.基于延時比較仲裁的模擬I2C多主通信的軟件設計實現[J].工業儀表與自動化裝置，2011（4）：25-27.

[4] 何立，潘宇.基于ATE的一種MCU測試方法[J].電子質量，2021（1）：30-33.

[5] 羅莉.淺析I2C及相關問題解決[J].電腦知識與技術，2019，15（12）：266-267.

[6] 趙樺，王建超.基于V93000 ATE的大電流測試方法研究[J].電子與封裝，2017，17（12）：14-17.

[7] 李燦，韓先虎，程法勇，等.基于ATE的傳輸延遲測試方法優化[J].現代電子技術，2023，46（20）：39-43.

[8] 孫莉莉，李楠.基于ATE的集成電路交流參數測試方法[J].電子與封裝，2017，17（3）：10-12.

[9] 孫宇凱，劉鵬，王君從，等.淺析ATE的TMU和參數掃描測試方法[J].中國集成電路，2022，31（6）：85-89.

[10] 沈鍾杰.一類數字電位器的快速測試方法研究[J].電子質量，2022（8）：57-64.

[11] 石巍.基于AVR單片機的測試模塊在半導體編帶設備上的應用[J].電子測試，2018（1）：108-110.

[12] 葉敬昌. I2C通信協議應用及其注意事項[J].家電科技，2015（1）：80-82.

[13] 柯蘭英，劉明. I2C串行通信E2PROM在電視產品中的設計應用[J].國外電子元器件，2008（11）：75-76.

收稿日期：2024-05-14 修回日期：2024-06-18

作者簡介：聶中天（1996—），男，河南沈丘人，碩士，工程師，研究方向為集成電路ATE測試、射頻芯片測試技術。

孫 磊（1995—），男，安徽馬鞍山人，碩士，工程師，研究方向為集成電路ATE測試。