24位模数转换器SSP1220在单晶硅差压传感器中的应用

 

 

差压传感器简介

    

    差压传感器是一种广泛应用于工程、工业和科学领域的传感器，用于测量两个压力之间的差异。

    其工作原理基于压强与压力的关系。

差压传感器图

    差压传感器通常由两个与被测介质相连的输入通道组成，分别测量被测介质中的两个不同位置的压力。这两个通道可以是分隔的，也可以是通过一个薄膜或管道连接在一起。

    当被测介质中的压力不同，这两个通道中的压力也会有所不同。差压传感器会测量这两个通道中的压力差异，并将其转换成相应的电信号输出。

    常用的差压传感器有基于压电效应的压电式传感器和基于电阻效应的电阻式传感器。

    压电式差压传感器利用压电材料的特性，当被测介质施加压力时，压电材料会产生电荷。这个电荷信号经过放大和转换后，可以作为差压传感器的输出信号。

    电阻式差压传感器则是利用电阻的变化来测量差压。其中一种常见的电阻式差压传感器是基于金属薄膜的结构。当被测介质施加压力时，金属薄膜会发生变形，进而改变电阻值。

     通过测量电阻值的变化，可以得到差压传感器的输出信号。差压传感器通常具有高精度、快速响应和较宽的测量范围。它们可以广泛应用于气体、液体和固体的压力差测量，如气象气压测量、液位测量、风速测量等。

 

    在低温行业，差压传感器可以被用作储罐内液位检测，如右图，在罐底部引出一个导气管到传感器的液相，再在顶部引一根管子到气相，根据压强公式:

p=ρgh，Δp = Pa-Pb= Δhρg,

 

    这样根据密度就可以算出H高度了，或者折算成对应的毫米水柱。

    以X厂家产品为例，内部使用的电路是电阻桥式电路，其输出电压范围是60-160mv,对应量程为0-20Kpa,每个帕斯卡对应5μV。

接线图如下:

 接线图

 这里我们使用24位 ADC SSP1220对电压数据进行采集，再折算成为对应的液位。

 

 

 SSP1220简介

 

    SSP1220是矽朋微电子研发设计的一款精密24位模数转换器，具备以下特点:

1.两个差分输入或四个单端输入；

2.一个低噪声可编程增益放大器 (PGA)；

3.两个可编程激励电流源；

4.一个电压基准，一个振荡器；

5.一个低侧开关和一个精密温度传感器。

    SSP1220能够以高达2k SPS 采样数据速率执行转换，并且能够在单周期内稳定。针对噪声环境中的工业应用，当采样频率为20SPS时，数字滤波器可同时提供50Hz和60Hz抑制。

    内部PGA提供高达128V/V的增益。使得SSP1220非常适用于小型传感器信号测量 应用，例如电阻式温度检测器(RTD)、热电偶、热敏电阻和阻性桥式传感器。            SSP1220在使用 PGA 时支持测量伪差分或全差分信号,也可以配置为禁用内部PGA，在禁用 PGA 后的占空比模式下运行功耗可低至120µA。

    SSP1220薄型小外形尺寸(TSSOP)-16封装，额定工作温度范围为-40°C至+125°C。

SSP1220引脚图

 

    SSP1220通过SPI与控制器通信，控制器为主模式，芯片为从模式,只能工作在模式1，即CPOL配置为0，CPHA配置为1（不支持其他模式）。

    在SPI模式1下，SCLK在空闲状态下保持低电平并且数据仅在SCLK上升沿进行传输或更改；主器件和从器件在SCLK下降沿锁存或读取数据。其SPI时序要求如下图：

 

串行接口时序要求图

 

 参考电路设计

 

1. 供电系统，输入电压3.6-5.5V,这里采用LDO直接降压到3V,参考电压为外置2.5V.

 

供电系统图

 

 

2.SSP1220采样电路

SSP1220采样图

 

接线图

V+接到上桥臂B+;

V-接到下桥臂B-;

S+接到差分输入高端；

S-接到差分输入低端；

 

3. 单片机和485电路，我们将数据转成485输出

   

485电路图

 

4.实际测试数据

经过实际测试

差压值Kpa	电压值μV	实测值μV	差压值Kpa	电压值μV	实测值μV
0	60000	61130	10	110000	111142
1	65000	66140	11	115000	116151
2	70000	71127	12	120000	121158
3	75000	76142	13	125000	126149
4	80000	81143	14	130000	131161
5	85000	86144	15	135000	136149
6	90000	91137	16	140000	141175
7	95000	96131	17	145000	146162
8	100000	101139	18	150000	151151
9	105000	106128	19	155000	156152

    为了达到最佳精度，我们使用20SPS最低速率采样，可以看到在100μV的位置上有10μV左右的波动，实际已经能达到精度要求。