Aplicación del convertidor analógico-digital de 24 bits SSP1220 en un sensor de presión diferencial de silicio monocristalino

Introducción al sensor de presión diferencial

Un sensor de presión diferencial es un tipo de sensor muy utilizado en ingeniería, industria y ciencia para medir la diferencia entre dos presiones.

（Sensor de presión）

Su principio de funcionamiento se basa en la relación entre presión y presión.

Un sensor de presión diferencial suele constar de dos canales de entrada conectados al medio medido para medir la presión en dos puntos diferentes del medio medido. Los dos canales pueden estar separados o conectados por una membrana o un tubo.

Cuando la presión en el medio medido es diferente, la presión en los dos canales también será diferente. El sensor de presión diferencial mide la diferencia de presión en los dos canales y la convierte en una salida eléctrica correspondiente.

Los sensores de presión diferencial más utilizados son los sensores piezoeléctricos basados en el efecto piezoeléctrico y los sensores de resistencia basados en el efecto de resistencia.

Los sensores de presión diferencial piezoeléctricos aprovechan las propiedades de los materiales piezoeléctricos, que generan cargas eléctricas cuando se aplica presión al medio medido. Tras su amplificación y conversión, esta señal de carga puede utilizarse como señal de salida del sensor de presión diferencial.

Los sensores de presión diferencial resistivos utilizan cambios en la resistencia para medir la presión diferencial. Uno de los sensores de presión diferencial resistivos más comunes se basa en una estructura de película metálica. Cuando se aplica presión al medio medido, la película metálica se deforma y cambia el valor de la resistencia.

Midiendo el cambio del valor de la resistencia, se puede obtener la señal de salida del sensor de presión diferencial. Los sensores de presión diferencial suelen tener una alta precisión, una respuesta rápida y un amplio rango de medición. Pueden utilizarse ampliamente en la medición de la diferencia de presión de gases, líquidos y sólidos, como la medición de la presión meteorológica, la medición del nivel de líquidos, la medición de la velocidad del viento, etc.

En la industria de baja temperatura, el sensor de presión diferencial se puede utilizar como detección de nivel de líquido en el tanque de almacenamiento, como se muestra en la figura de la derecha, conduciendo un conducto a la fase líquida del sensor en la parte inferior del tanque, y luego conduciendo un tubo a la fase gaseosa en la parte superior, de acuerdo con la fórmula de presión:

p=ρgh，Δp = Pa-Pb= Δhρg,

De este modo, la altura H puede calcularse a partir de la densidad, o convertirse en la correspondiente columna milimétrica de agua.

Tomando como ejemplo los productos del fabricante X, el circuito utilizado en su interior es un circuito de puente de resistencia, y su rango de tensión de salida es de 60-160mv, el rango correspondiente es de 0-20Kpa, y cada PASCAL corresponde a 5μV.

El esquema eléctrico es el siguiente:

（Esquema eléctrico）

En este caso, utilizamos un ADC SSP1220 de 24 bits para recoger los datos de tensión y, a continuación, convertirlos en el nivel de líquido correspondiente.

Introducción al SSP1220

El SSP1220 es un convertidor analógico-digital de precisión de 24 bits desarrollado y diseñado por Siproin Microelectronics. Tiene las siguientes características:

• Dos entradas diferenciales o cuatro entradas de un solo extremo,
• Un amplificador de ganancia programable (PGA) de bajo ruido,
• Dos fuentes de corriente de excitación programables,
• Una referencia de tensión, un oscilador,
• Un interruptor de lado bajo y un sensor de temperatura de precisión.

El SSP1220 es capaz de realizar conversiones a frecuencias de muestreo de datos de hasta 2k SPS y es estable en un solo ciclo. Para aplicaciones industriales en entornos ruidosos, el filtro digital proporciona rechazo de 50 Hz y 60 Hz a una frecuencia de muestreo de 20 SPS.

El PGA interno ofrece una ganancia de hasta 128V/V. Esto hace que el SSP1220 sea ideal para aplicaciones de medida de señales de sensores pequeños, como detectores de temperatura resistivos (RTDS), termopares, termistores y sensores de puente resistivos. El SSP1220 admite la medida de señales pseudodiferenciales o totalmente diferenciales cuando se utiliza PGA, y también puede configurarse para desactivar el PGA interno, funcionando en modo de ciclo de trabajo con PGA desactivado con un consumo de potencia tan bajo como 120µA.

El encapsulado SSP1220 Thin Small Form Factor (TSSOP)-16 está preparado para funcionar a temperaturas comprendidas entre -40°C y +125°C.

Diagrama de pines （SSP1220）

El SSP1220 se comunica con el controlador a través del SPI. El controlador trabaja en modo activo y el chip en modo esclavo. El SSP1220 funciona sólo en modo 1, es decir, CPOL está ajustado a 0 y CPHA a 1. (No se admiten otros modos)

En el modo SPI 1, SCLK permanece bajo en el estado de reposo y los datos se transmiten o cambian sólo en el flanco ascendente de SCLK. El dispositivo maestro y el esclavo guardan o leen los datos en el flanco de bajada de SCLK. Los requisitos de temporización SPI son los siguientes:

（Requisitos de temporización de la interfaz serie）

Diseño del circuito de referencia

1.Sistema de alimentación, tensión de entrada 3.6-5.5V, aquí se utiliza LDO directamente reductor a 3V, la tensión de referencia es externa 2.5V.

（Diagrama del sistema de alimentación）

2.Circuito de muestreo SSP1220

(SSP1220 Diagrama de muestreo)

（Esquema eléctrico）

• V+ conectado al brazo del puente superior B+;
• V- para bajar el brazo del puente B-;
• S+ está conectado al extremo alto de la entrada diferencial;
• S- se conecta al extremo inferior de la entrada diferencial;

3.MCU y el circuito 485, convertimos los datos en salida 485

Diagrama del circuito （485）

4.Datos reales de la prueba

Probado en la práctica：

Con el fin de lograr la mejor precisión, utilizamos la tasa mínima de muestreo 20SPS, se puede ver una fluctuación de alrededor de 10μV en la posición de 100μV, en realidad ya se puede cumplir con los requisitos de precisión.