Anwendung des 24-Bit-Analog-Digital-Wandlers SSP1220 in einem monokristallinen Silizium-Differenzdrucksensor

Einführung in den Differenzdrucksensor

Ein Differenzdrucksensor ist ein Sensortyp, der in Technik, Industrie und Wissenschaft häufig zur Messung der Differenz zwischen zwei Drücken verwendet wird.

（Drucksensor）

Sein Funktionsprinzip beruht auf dem Verhältnis zwischen Druck und Druck.

Ein Differenzdrucksensor besteht in der Regel aus zwei Eingangskanälen, die mit dem Messmedium verbunden sind, um den Druck an zwei verschiedenen Stellen im Messmedium zu messen. Die beiden Kanäle können voneinander getrennt oder durch eine Membran oder ein Rohr verbunden sein.

Wenn der Druck im Messmedium unterschiedlich ist, ist auch der Druck in den beiden Kanälen unterschiedlich. Der Differenzdrucksensor misst die Druckdifferenz in den beiden Kanälen und wandelt sie in einen entsprechenden elektrischen Ausgang um.

Die am häufigsten verwendeten Differenzdrucksensoren sind piezoelektrische Sensoren auf der Grundlage des piezoelektrischen Effekts und Widerstandssensoren auf der Grundlage des Widerstandseffekts.

Piezoelektrische Differenzdrucksensoren machen sich die Eigenschaften piezoelektrischer Materialien zunutze, die elektrische Ladungen erzeugen, wenn Druck auf das Messmedium ausgeübt wird. Nach Verstärkung und Umwandlung kann dieses Ladungssignal als Ausgangssignal des Differenzdrucksensors verwendet werden.

Resistive Differenzdrucksensoren nutzen Widerstandsänderungen, um den Differenzdruck zu messen. Einer der üblichen resistiven Differenzdrucksensoren basiert auf einer Metallfilmstruktur. Wenn der Druck auf das zu messende Medium einwirkt, wird der Metallfilm verformt und der Widerstandswert ändert sich.

Durch Messung der Änderung des Widerstandswertes kann das Ausgangssignal des Differenzdrucksensors ermittelt werden. Differenzdrucksensoren haben in der Regel eine hohe Präzision, eine schnelle Ansprechzeit und einen großen Messbereich. Sie finden breite Anwendung bei der Messung von Gas-, Flüssigkeits- und Feststoffdruckunterschieden, z. B. bei der meteorologischen Druckmessung, der Messung von Flüssigkeitsständen, der Messung der Windgeschwindigkeit usw.

In der Tieftemperaturindustrie kann der Differenzdrucksensor als Flüssigkeitsstandserfassung im Lagertank verwendet werden, wie in der Abbildung rechts dargestellt, wobei eine Leitung zur Flüssigphase des Sensors am Boden des Tanks und dann ein Rohr zur Gasphase am oberen Rand entsprechend der Druckformel geführt wird:

p=ρgh，Δp = Pa-Pb= Δhρg,

Auf diese Weise kann die H-Höhe aus der Dichte berechnet oder in die entsprechende Millimetersäule des Wassers umgerechnet werden.

Bei den Produkten des Herstellers X handelt es sich beispielsweise um eine Widerstandsbrückenschaltung mit einem Ausgangsspannungsbereich von 60-160 mV, der entsprechende Bereich liegt bei 0-20 Kpa, und jeder PASCAL entspricht 5 μV.

Der Schaltplan sieht wie folgt aus:

（Schaltplan）

Hier verwenden wir den 24-Bit-ADC SSP1220, um die Spannungsdaten zu erfassen und sie dann in den entsprechenden Flüssigkeitsstand umzuwandeln.

Einführung in den SSP1220

SSP1220 ist ein präziser 24-Bit-Analog-Digital-Wandler, der von Siproin Microelectronics entwickelt und konstruiert wurde. Er hat die folgenden Eigenschaften:

• Zwei Differenzeingänge oder vier unsymmetrische Eingänge,
• Ein rauscharmer programmierbarer Verstärker (PGA),
• Zwei programmierbare Erregerstromquellen,
• Eine Spannungsreferenz, ein Oszillator,
• Ein Low-Side-Schalter und ein Präzisions-Temperatursensor.

Der SSP1220 ist in der Lage, Konvertierungen bei Abtastdatenraten von bis zu 2k SPS durchzuführen und ist innerhalb eines einzigen Zyklus stabil. Für industrielle Anwendungen in verrauschten Umgebungen bietet der digitale Filter sowohl 50Hz als auch 60Hz Unterdrückung bei einer Abtastfrequenz von 20SPS.

Der interne PGA bietet eine Verstärkung von bis zu 128V/V. Dadurch eignet sich der SSP1220 ideal für die Messung kleiner Sensorsignale, wie z.B. resistive Temperaturdetektoren (RTDS), Thermoelemente, Thermistoren und Widerstandsbrückensensoren. Der SSP1220 unterstützt die Messung von pseudodifferentiellen oder volldifferentiellen Signalen bei Verwendung von PGA und kann auch so konfiguriert werden, dass er den internen PGA deaktiviert und im Duty-Cycle-Modus mit deaktiviertem PGA bei einer Leistungsaufnahme von nur 120µA arbeitet.

Das SSP1220 Thin Small Form Factor (TSSOP)-16-Gehäuse ist für einen Betriebstemperaturbereich von -40°C bis +125°C ausgelegt.

（SSP1220 Anschlussplan）

Der SSP1220 kommuniziert mit dem Controller über SPI. Der Controller arbeitet im aktiven Modus und der Chip arbeitet im Slave-Modus. Der SSP1220 arbeitet nur im Modus 1, d.h. CPOL ist auf 0 und CPHA ist auf 1 gesetzt. (Andere Modi werden nicht unterstützt)

Im SPI-Modus 1 bleibt SCLK im Ruhezustand niedrig und Daten werden nur bei der steigenden Flanke von SCLK übertragen oder geändert. Das Master-Gerät und das Slave-Gerät halten die Daten bei der fallenden Flanke von SCLK fest oder lesen sie. Die SPI-Timing-Anforderungen sind wie folgt:

（Serielle Schnittstellen-Timing-Anforderungen）

Entwurf einer Referenzschaltung

1.power supply system, Eingangsspannung 3.6-5.5V, hier verwenden LDO direkt Step-down auf 3V, die Referenzspannung ist extern 2.5V.

（Schema des Stromversorgungssystems）

2. die SSP1220-Abtastschaltung

(SSP1220 Probenahmeschema)

（Schaltplan）

• V+ ist mit dem oberen Brückenarm B+ verbunden;
• V- zum unteren Brückenarm B-;
• S+ ist mit dem oberen Ende des Differenzeingangs verbunden;
• S- ist mit dem unteren Ende des Differenzeingangs verbunden;

3.MCU und 485-Schaltung, wir wandeln die Daten in 485-Ausgang

（485 Schaltplan）

4.Tatsächliche Testdaten

In der Praxis erprobt：

Um die beste Genauigkeit zu erreichen, verwenden wir die minimale Rate von 20SPS Abtastung, können Sie sehen, eine Fluktuation von etwa 10μV an der Stelle von 100μV, tatsächlich kann bereits die Anforderungen an die Genauigkeit zu erfüllen.