基于ATE的SIP數(shù)字溫度傳感器測試方法

摘 要：常規(guī)的數(shù)字溫度傳感器芯片測試通常需要使用支持該芯片通信協(xié)議的上位機進(jìn)行初步配置，再通過專門的測試設(shè)備進(jìn)行集成電路測試。然而，這種方式存在硬件復(fù)雜、流程繁瑣等缺點，導(dǎo)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(shù)字ATE（自動化測試設(shè)備）測試方法，用于生成數(shù)字溫度傳感器的主要功能測試向量。以SD5075數(shù)字溫度傳感器為例，研究了基于ATE的兩線制通信數(shù)字溫度傳感器的測試程序，并覆蓋了電路交流、直流參數(shù)自動測試，優(yōu)化了測試向量時序，從而提升了ATE與數(shù)字溫度傳感器電路之間兩線制通信的穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：數(shù)字溫度傳感器；集成電路測試；數(shù)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(xiàn)標(biāo)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(zhuǎn)換成電信號的集成電路。而數(shù)字溫度傳感器是通過芯片內(nèi)部集成的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路（ADC）進(jìn)一步將電信號轉(zhuǎn)變成易于傳輸?shù)臄?shù)字信號以供用戶使用[1]。當(dāng)下主流的數(shù)字溫度傳感器芯片支持采用RS 232協(xié)議、RS 485協(xié)議和I2C/SMBus協(xié)議等多種通信協(xié)議進(jìn)行芯片配置。I2C/SMBus協(xié)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(shù)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(shè)備（ATE）的兩線通信協(xié)議數(shù)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(shù)字溫度傳感器的測試流程，從而降低測試生產(chǎn)硬件成本并提高測試生產(chǎn)效率。

1 數(shù)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(shù)字溫度傳感器，本文將以SD5075為例簡單概括其基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)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(shù)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(shù)字溫度傳感器可以將物理溫度轉(zhuǎn)換成電信號，再通過其芯片中的高精度ADC將電信號進(jìn)一步轉(zhuǎn)變?yōu)榭纱鎯Φ臄?shù)字信號，并且可將測量溫度所反映的電流結(jié)果保存在其溫度結(jié)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(shù)據(jù)，該電路的主要結(jié)構(gòu)功能如圖2所示。其可以通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器，將溫度傳感器輸出的溫度模擬電壓轉(zhuǎn)換成可以讀取的二進(jìn)制碼存入0x00H寄存器中，并且可以將該模擬電壓與電壓監(jiān)控模塊的閾值電壓進(jìn)行比較，從而實現(xiàn)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(yīng)地址寄存器進(jìn)行寫數(shù)據(jù)時的通信時序如圖3所示。SDA第1字節(jié)為從機物理地址，第2字節(jié)為寄存器指針位，第3字節(jié)為需寫入的數(shù)據(jù)[5]。

若操作對應(yīng)地址寄存器寫數(shù)據(jù)超過1個字節(jié)時，需要通過多字節(jié)寫入時序進(jìn)行寫入，在每個字節(jié)寫入成功后需要得到從機應(yīng)答才可以直接進(jìn)行下一字節(jié)數(shù)據(jù)的寫入。讀數(shù)據(jù)通信方式與寫數(shù)據(jù)類似，不同之處在于僅需將發(fā)送數(shù)據(jù)第8位數(shù)據(jù)更改為1即可讀取寄存器內(nèi)部數(shù)據(jù)，其具體通信時序如圖4所示。

2 基于數(shù)字ATE的兩線制通信測試系統(tǒng)設(shè)計

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

果[7]。在數(shù)字ATE的測試中，整個測試過程都是在預(yù)先編譯好的測試程序統(tǒng)一調(diào)度下進(jìn)行的。數(shù)字ATE中的各種功能都可以通過預(yù)留接口進(jìn)行調(diào)用與編輯[8]。ATE測試的基本結(jié)構(gòu)如圖5所示。開發(fā)數(shù)字ATE測試程序時，針對本文提到的數(shù)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(jìn)行測試。PMU專門用于精確的直流參數(shù)測量，能驅(qū)動電流進(jìn)入器件以測量電壓（FIMV）或者向器件施加電壓以測量產(chǎn)生的電流（FVMI）。在對PMU進(jìn)行編程時，驅(qū)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(shè)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(shè)置成電流測量。一旦確定了驅(qū)動功能，相應(yīng)的數(shù)值也必須同時被設(shè)定。高端數(shù)字ATE設(shè)備中PMU會整合一個或數(shù)個時間測量單元（TMU）來進(jìn)行交流參數(shù)測試，該功能同時可以用來進(jìn)行芯片的通信測試。本文將以SmartTest為例進(jìn)行兩線制通信數(shù)字溫度傳感器測試程序的設(shè)計思路分析[9]。

2.1 測試向量生成

SD5075的I2C通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)模式下，推薦數(shù)據(jù)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(shè)置為200 MHz，進(jìn)而實現(xiàn)100 Kb/s的數(shù)據(jù)傳輸[10]。在測試向量生成時需要滿足器件交流參數(shù)限制條件。

I2C通信數(shù)據(jù)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(yīng)為高電平。在通信開始建立時，數(shù)據(jù)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(jié)束時，信號為SDA的一個上升沿。進(jìn)行寫操作時，在傳輸8 bit數(shù)據(jù)后從機會產(chǎn)生一個低電平應(yīng)答信號進(jìn)行校驗，讀數(shù)據(jù)時該應(yīng)答校驗信號由主機產(chǎn)生[12]。需注意的是，圖6中的參數(shù)t2為數(shù)據(jù)建立時間，即在從機接收數(shù)據(jù)時需要在時鐘高電平前進(jìn)行數(shù)據(jù)建立的最小時間；t3為數(shù)據(jù)保持時間，為從機發(fā)送數(shù)據(jù)時數(shù)據(jù)會在時鐘高電平結(jié)束之后保持的時間[13]。綜上所述，生成ATE進(jìn)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(jìn)行采樣，采樣點的設(shè)置需要滿足圖6中數(shù)據(jù)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(jié)的輸出數(shù)據(jù)，導(dǎo)致測試數(shù)據(jù)錯位功能失效。綜上所述，生成ATE進(jìn)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(shù)字ATE對被測電路（DUT）施加與測試向量相對應(yīng)的激勵，之后觀察其輸出響應(yīng)，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(jié)果采樣方法設(shè)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(jìn)行采樣。在預(yù)設(shè)的Level Set中需設(shè)置采樣所需的輸出比較電壓閾值。當(dāng)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(shù)可得到二進(jìn)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(tài)，并且輸出端連接了負(fù)載，那么此時無法準(zhǔn)確判斷其電平狀態(tài)。這種情況下，上述函數(shù)將輸出一個布爾變量“1”。如果使用int變量調(diào)用該函數(shù)，將無法判斷其輸出為“0”還是“1”。得到輸出的采樣結(jié)果后，可按照最高有效位（MSB）至最低有效位（LSB）的順序進(jìn)行加權(quán)計算，從而得到數(shù)字溫度傳感器在指定寄存器地址下的實際輸出值。

3 結(jié)果與分析

在SD5075的測試程序中，ATE生成的I2C溫度結(jié)果寄存器（0x00H）讀取向量的實際讀取結(jié)果如圖9所示。當(dāng)主機通過I2C通信協(xié)議讀取溫度結(jié)果寄存器中存儲的數(shù)據(jù)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(fā)現(xiàn)，使用ATE生成的向量在設(shè)置了符合I2C通信標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)建立時間和數(shù)據(jù)保持時間參數(shù)后，可以完整地模擬上位機在I2C通信中的開始、結(jié)束信號以及數(shù)據(jù)寫入波形。通過該測試向量，可以使用ATE的數(shù)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(shù)。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(qū)動時間點，并配合使用spec search功能，方便地進(jìn)行測溫周期、復(fù)位時間、時鐘周期等交流參數(shù)的測試。在使用ATE讀取到溫度結(jié)果寄存器中的數(shù)據(jù)后，按照最高有效位（MSB）至最低有效位（LSB），并根據(jù)式（1）進(jìn)行加權(quán)計算可以得出測試其溫度精確度的最終結(jié)果。

TEMP=0bTread ×0.125 （1）

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

4 結(jié) 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(shù)字溫度傳感器通信原理相結(jié)合，成功開發(fā)了一套針對兩線制數(shù)字溫度傳感器的主要功能及其電參數(shù)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(fā)調(diào)試過程對于使用ATE進(jìn)行串行通信芯片測試程序的開發(fā)具有一定的借鑒意義。

在批量化生產(chǎn)測試中，基于ATE開發(fā)的兩線制數(shù)字溫度傳感器的測試應(yīng)用相較于上位機測試，效率有著明顯的提升。目前，已實現(xiàn)ATE結(jié)合機械手的生產(chǎn)自動化測試，該測試方法已被推廣至其他兩線制通信數(shù)字芯片的測試中，整個測試過程穩(wěn)定可靠，結(jié)果準(zhǔn)確。

注：本文通訊作者為聶中天。

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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(shù)。

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。