Aufgabe: Erweitern Sie die Schaltung um das Medium. Schließen Sie als Amperemeter einen Strom-Messmarker an.
Ersetzen Sie das Amperemeter durch einen I-U-Konverter wie in der unteren Abbildung. Die Ausgangsspannung des OPs ist jetzt proportional zum Strom im Medium.
Die Spannung UADC1 gibt Ihnen das Potential hinter der Entkopplungsschaltung an. Wenn dieses Potential der Spannung über der Medienimpedanz entsprechen soll, dann muss am Eingang des I-U-Konverters das Potential 0V anliegen. Erklären Sie, warum das der Fall ist. Überlegen Sie dafür, wie groß Ud am OP ist.
An der Spannung UADC1 wird der erste ADC angeschlossen, mit ihm messen Sie die Spannung am Medium. Um den ADC zu modellieren verwenden Sie Spannungsmarker in Multisim. Wenn die Spannung an diesen Markern im Bereich [0V .. 5V] liegt, kann ein angeschlossener ADC die Spannungen digitalisieren.
Die Ausgangsspannung des I-U-Konverters müsste jetzt um 0V herum liegen, sie ist also negativ und positiv. Das ist für einen ADC ungeeignet. Wir machen sie später rein positiv, zunächst ignorieren wir das Problem
Aufgabe: Wie müssen Sie den Widerstand R2 im I-U-Konverter setzen, damit die Ausgangsspannung für alle Werte des Medienwiderstands im Bereich [-2,5V … 2,5V] liegt? Berücksichtigen Sie den Wertebereich des Medienwiderstands.
Die Ausgangsspannung des OPs braucht eine Offsetspannung, damit seine Ausgangsspannung nur positiv ist. Erweitern Sie die Schaltung um eine Gleichspannungsquelle wie in der folgenden Abbildung. Variieren Sie die Spannung der Quelle, bis das Ergebnis passt.
Aufgabe: Begründen Sie, warum diese Spannungsquelle am Ausgang eine Offset-Spannung erzeugt. Dazu müssen Sie die die Ausgangsspannung des OPs berechnen, an dem zwei Eingangsspannungen anliegen. Lesen Sie dazu eigenständig Online-Quellen zur „Überlagerung von Spannungsquellen“ oder „Superpositionsprinzip“. Sie berechnen die Ausgangsspannung für jeweils nur eine Quelle und addieren am Ende die Ergebnisse. Berücksichtigen Sie dabei, dass eine Offset-Spannung f = 0 Hz hat und wie sich der Kondensator bei dieser Frequenz verhält.
Aufgabe: Bestimmen Sie den Strom durch das Medium aus der Spannung UADC2 am Ausgang des I-U-Konverters als Formel.
Aufgabe: Bestimmen Sie den Wert der Medien-Impedanz aus den Spannungen UADC1 und UADC2.
Aufgabe: Die Medienimpedanz ist eine komplexe Zahl. Welcher Anteil der komplexen Zahl gibt Ihnen den Widerstandswert und welcher die Kondensator-Impedanz an?
Aufgabe: Die OP-Schaltung weist jetzt die Struktur eines Hochpasses auf. Bestimmen Sie dessen Grenzfrequenz abhängig vom Medienwiderstand.
Aufgabe: Erweitern Sie die Schaltung so, dass sie zusätzlich Tiefpass-Charakteristik aufweist. Wie müssen Sie die Grenzfrequenz des Tiefpass-Filters soll wählen, damit das Nutzsignal nicht beeinflusst wird?