Применение 24-битного аналого-цифрового преобразователя SSP1220 в монокристаллическом кремниевом датчике дифференциального давления

Введение в датчик дифференциального давления

Датчик перепада давления - это тип датчика, широко используемый в технике, промышленности и науке для измерения разницы между двумя давлениями.

（Датчик давления）

Принцип его работы основан на взаимосвязи между давлением и напором.

Датчик дифференциального давления обычно состоит из двух входных каналов, подключенных к измеряемой среде для измерения давления в двух разных точках измеряемой среды. Два канала могут быть разделены или соединены мембраной или трубой.

Когда давление в измеряемой среде разное, давление в двух каналах также будет разным. Датчик дифференциального давления измеряет разницу давлений в двух каналах и преобразует ее в соответствующий электрический сигнал.

В качестве датчиков перепада давления обычно используются пьезоэлектрические датчики, основанные на пьезоэлектрическом эффекте, и резистивные датчики, основанные на эффекте сопротивления.

Пьезоэлектрические датчики перепада давления используют свойства пьезоэлектрических материалов, которые генерируют электрические заряды при воздействии давления на измеряемую среду. После усиления и преобразования этот сигнал заряда может быть использован в качестве выходного сигнала датчика дифференциального давления.

Резистивные датчики перепада давления используют изменения сопротивления для измерения перепада давления. Один из распространенных резистивных датчиков перепада давления основан на структуре металлической пленки. Когда к измеряемой среде прикладывается давление, металлическая пленка деформируется, а затем изменяет значение сопротивления.

Измеряя изменение значения сопротивления, можно получить выходной сигнал датчика дифференциального давления. Датчики дифференциального давления обычно имеют высокую точность, быстрый отклик и широкий диапазон измерений. Они могут широко использоваться для измерения разности давлений газа, жидкости и твердого тела, например, для измерения метеорологического давления, уровня жидкости, скорости ветра и т.д.

В низкотемпературной промышленности датчик перепада давления может использоваться для определения уровня жидкости в резервуаре, как показано на рисунке справа: к жидкой фазе датчика в нижней части резервуара подводится трубка, а к газовой фазе в верхней части - трубка, соответствующая формуле давления:

p=ρgh，Δp = Pa-Pb = Δhρg,

Таким образом, высота H может быть рассчитана по плотности или переведена в соответствующий миллиметровый столб воды.

Если взять в качестве примера продукцию производителя X, то внутри используется схема моста сопротивления, диапазон выходного напряжения которого составляет 60-160 мВ, соответствующий диапазон - 0-20 кпа, а каждый паскаль соответствует 5 мкВ.

Схема подключения выглядит следующим образом:

（Схема подключения）

Здесь мы используем 24-битный АЦП SSP1220 для сбора данных о напряжении, а затем преобразуем их в соответствующий уровень жидкости.

Введение в SSP1220

SSP1220 - это прецизионный 24-битный аналого-цифровой преобразователь, разработанный и спроектированный компанией Siproin Microelectronics. Он обладает следующими характеристиками:

• Два дифференциальных входа или четыре односторонних входа,
• Малошумящий усилитель с программируемым коэффициентом усиления (PGA),
• Два программируемых источника тока возбуждения,
• Опорное напряжение, осциллятор,
• Переключатель нижнего уровня и прецизионный датчик температуры.

SSP1220 способен выполнять преобразования с частотой дискретизации данных до 2k SPS и стабилен в пределах одного цикла. Для промышленных применений в шумной среде цифровой фильтр обеспечивает подавление частот 50 и 60 Гц при частоте дискретизации 20SPS.

Внутренний PGA обеспечивает усиление до 128 В/В. Это делает SSP1220 идеальным для приложений измерения сигналов малых датчиков, таких как резистивные температурные детекторы (RTDS), термопары, термисторы и резистивные мостовые датчики. SSP1220 поддерживает измерение псевдодифференциальных или полностью дифференциальных сигналов при использовании PGA, а также может быть настроен на отключение внутреннего PGA, работая в режиме рабочего цикла с отключенным PGA при потреблении энергии до 120 мкА.

Корпус SSP1220 Thin Small Form Factor (TSSOP)-16 рассчитан на диапазон рабочих температур от -40°C до +125°C.

（SSP1220 pin diagram）

SSP1220 взаимодействует с контроллером через интерфейс SPI. Контроллер работает в активном режиме, а микросхема - в режиме ведомого устройства. SSP1220 работает только в режиме 1, то есть CPOL установлен в 0, а CPHA - в 1. (Другие режимы не поддерживаются)

В режиме SPI 1 SCLK остается низким в состоянии ожидания, а данные передаются или изменяются только по нарастающему фронту SCLK. Ведущее и ведомое устройства фиксируют или считывают данные по фронту спада SCLK. Требования к синхронизации SPI следующие:

（Требования к временным характеристикам последовательного интерфейса）

Разработка эталонной схемы

1.система питания, входное напряжение 3.6-5.5В, здесь используется LDO, непосредственно понижающий напряжение до 3В, опорное напряжение внешнее 2.5В.

（Схема системы электропитания）

2.Схема выборки SSP1220

(Диаграмма выборки SSP1220)

（Схема подключения）

• V+ подключен к верхнему плечу моста B+;
• V- для опускания рычага моста B-;
• S+ подключен к высокому концу дифференциального входа;
• S- подключается к нижнему концу дифференциального входа;

3.MCU и 485 схема, мы преобразуем данные в 485 выход

（485 электрическая схема）

4.Фактические данные испытаний

Проверено на практике：

Для достижения наилучшей точности, мы используем минимальную скорость выборки 20SPS, вы можете увидеть колебание около 10 мкВ на позиции 100 мкВ, фактически уже может удовлетворить требования к точности.