24位模數(shù)轉(zhuǎn)換器SSP1220在單晶硅差壓傳感器中的應(yīng)用

差壓傳感器簡介

差壓傳感器是一種廣泛應(yīng)用于工程、工業(yè)和科學(xué)領(lǐng)域的傳感器，用于測量兩個(gè)壓力之間的差異。

其工作原理基于壓強(qiáng)與壓力的關(guān)系。

差壓傳感器圖

差壓傳感器通常由兩個(gè)與被測介質(zhì)相連的輸入通道組成，分別測量被測介質(zhì)中的兩個(gè)不同位置的壓力。這兩個(gè)通道可以是分隔的，也可以是通過一個(gè)薄膜或管道連接在一起。

當(dāng)被測介質(zhì)中的壓力不同，這兩個(gè)通道中的壓力也會(huì)有所不同。差壓傳感器會(huì)測量這兩個(gè)通道中的壓力差異，并將其轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號(hào)輸出。

常用的差壓傳感器有基于壓電效應(yīng)的壓電式傳感器和基于電阻效應(yīng)的電阻式傳感器。

壓電式差壓傳感器利用壓電材料的特性，當(dāng)被測介質(zhì)施加壓力時(shí)，壓電材料會(huì)產(chǎn)生電荷。這個(gè)電荷信號(hào)經(jīng)過放大和轉(zhuǎn)換后，可以作為差壓傳感器的輸出信號(hào)。

電阻式差壓傳感器則是利用電阻的變化來測量差壓。其中一種常見的電阻式差壓傳感器是基于金屬薄膜的結(jié)構(gòu)。當(dāng)被測介質(zhì)施加壓力時(shí)，金屬薄膜會(huì)發(fā)生變形，進(jìn)而改變電阻值。

通過測量電阻值的變化，可以得到差壓傳感器的輸出信號(hào)。差壓傳感器通常具有高精度、快速響應(yīng)和較寬的測量范圍。它們可以廣泛應(yīng)用于氣體、液體和固體的壓力差測量，如氣象氣壓測量、液位測量、風(fēng)速測量等。

在低溫行業(yè)，差壓傳感器可以被用作儲(chǔ)罐內(nèi)液位檢測，如右圖，在罐底部引出一個(gè)導(dǎo)氣管到傳感器的液相，再在頂部引一根管子到氣相，根據(jù)壓強(qiáng)公式:

p=ρgh，Δp = Pa-Pb= Δhρg,

這樣根據(jù)密度就可以算出H高度了，或者折算成對(duì)應(yīng)的毫米水柱。

以X廠家產(chǎn)品為例，內(nèi)部使用的電路是電阻橋式電路，其輸出電壓范圍是60-160mv,對(duì)應(yīng)量程為0-20Kpa,每個(gè)帕斯卡對(duì)應(yīng)5μV。

接線圖如下:

接線圖

這里我們使用24位 ADC SSP1220對(duì)電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，再折算成為對(duì)應(yīng)的液位。

SSP1220簡介

SSP1220是矽朋微電子研發(fā)設(shè)計(jì)的一款精密24位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，具備以下特點(diǎn):

1.兩個(gè)差分輸入或四個(gè)單端輸入；

2.一個(gè)低噪聲可編程增益放大器 (PGA)；

3.兩個(gè)可編程激勵(lì)電流源；

4.一個(gè)電壓基準(zhǔn)，一個(gè)振蕩器；

5.一個(gè)低側(cè)開關(guān)和一個(gè)精密溫度傳感器。

SSP1220能夠以高達(dá)2k SPS 采樣數(shù)據(jù)速率執(zhí)行轉(zhuǎn)換，并且能夠在單周期內(nèi)穩(wěn)定。針對(duì)噪聲環(huán)境中的工業(yè)應(yīng)用，當(dāng)采樣頻率為20SPS時(shí)，數(shù)字濾波器可同時(shí)提供50Hz和60Hz抑制。

內(nèi)部PGA提供高達(dá)128V/V的增益。使得SSP1220非常適用于小型傳感器信號(hào)測量 應(yīng)用，例如電阻式溫度檢測器(RTD)、熱電偶、熱敏電阻和阻性橋式傳感器。 SSP1220在使用 PGA 時(shí)支持測量偽差分或全差分信號(hào),也可以配置為禁用內(nèi)部PGA，在禁用 PGA 后的占空比模式下運(yùn)行功耗可低至120μA。

SSP1220薄型小外形尺寸(TSSOP)-16封裝，額定工作溫度范圍為-40°C至+125°C。

SSP1220引腳圖

SSP1220通過SPI與控制器通信，控制器為主模式，芯片為從模式,只能工作在模式1，即CPOL配置為0，CPHA配置為1（不支持其他模式）。

在SPI模式1下，SCLK在空閑狀態(tài)下保持低電平并且數(shù)據(jù)僅在SCLK上升沿進(jìn)行傳輸或更改；主器件和從器件在SCLK下降沿鎖存或讀取數(shù)據(jù)。其SPI時(shí)序要求如下圖：

串行接口時(shí)序要求圖

參考電路設(shè)計(jì)

1.供電系統(tǒng)，輸入電壓3.6-5.5V,這里采用LDO直接降壓到3V,參考電壓為外置2.5V.

供電系統(tǒng)圖

2.SSP1220采樣電路

SSP1220采樣圖

接線圖

V+接到上橋臂B+;

V-接到下橋臂B-;

S+接到差分輸入高端；

S-接到差分輸入低端；

3.單片機(jī)和485電路，我們將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)成485輸出

485電路圖

4.實(shí)際測試數(shù)據(jù)

經(jīng)過實(shí)際測試

為了達(dá)到最佳精度，我們使用20SPS最低速率采樣，可以看到在100μV的位置上有10μV左右的波動(dòng)，實(shí)際已經(jīng)能達(dá)到精度要求。