Signalen en systemen: samenvattingspakket

Formuleoverzichten, de belangrijkste methodestappen voor elk onderwerp en 8 oefenopgaven, met volledige oplossingen achterin.

Nieuwe opgavenTerug naar het vak

Kies in het printvenster “Opslaan als pdf” om een kopie op je apparaat te bewaren.

1Formules en methoden

Convolutie en LTI-systemen

Discrete convolutie
y[n] = Σ x[k]·h[n − k]
Continue convolutie
y(t) = ∫ x(τ)·h(t − τ) dτ
Lengte en som
Ly = Lx + Lh − 1, Σy = Σx·Σh
Begin, einde en oppervlakte
t1 + t3 … t2 + t4, ∫y = ∫x·∫h
Stap in e^(−at)u(t)
y(t) = (A/a)(1 − e−at)
Eerste-ordesysteem
y′ + a·y = b·x → h(t) = b·e−atu(t)
Eerste-orde-recursie
y[n] = a·y[n − 1] + b·x[n] → h[n] = b·aⁿ
Sinusoïde door h(t)
|H(jω)|, ∠H(jω); H(jω) = b/(a + jω)
Amplitudes van de fourierreeks
blokgolf ±A: 4A/(kπ), oneven k; driehoek ±A: 8A/(π²k²), oneven k; pulstrein: A·D en (2A/(kπ))|sin kπD|

Methode

  1. Schets beide signalen en noteer waar elk ervan niet nul is.
  2. Spiegel h en schuif hem: zoek voor elk uitgangstijdstip het bereik waar beide signalen overlappen.
  3. Vermenigvuldig en tel op (discreet) of vermenigvuldig en integreer (continu) over alleen die overlap.
  4. Controleer het resultaat: de uitgang begint bij de som van de starttijden, eindigt bij de som van de eindtijden, en zijn oppervlakte of som is het product van de oppervlakten of sommen van de ingangen.

2Oefenopgaven

1.Convolutie en LTI-systemenGemiddeld
x(t)t22h(t)t14

De puls x(t) = 2 voor 0 ≤ t < 2 s wordt geconvolueerd met de puls h(t) = 4 voor 0 ≤ t < 1 s. Bepaal de oppervlakte Ay onder y(t) = x(t) ∗ h(t).

x(t) = 2, 0 ≤ t < 2 sh(t) = 4, 0 ≤ t < 1 s
Ay =
2.Convolutie en LTI-systemenMoeilijk
x(t)t (ms)1245−5

Een driehoeksgolf stijgt en daalt lineair tussen −5 en +5 met periode T = 2 ms. Bepaal de amplitude c5 van zijn fouriercomponent bij 2500 Hz.

±5T = 2 msf = 2500 Hz
c5 =
3.LaplacetransformatiesGemiddeld
t (s)f(t)t = 0,5f(0,5) = ?

Bepaal f(t) voor F(s) = (s + 18)/(s² + 6s + 9) en bereken f(0,5).

F(s) = (s + 18)/(s² + 6s + 9)t = 0,5 s
f(0.5) =
4.LaplacetransformatiesMoeilijk
t (s)y(t)t = 0,25y(0,25) = ?

Een systeem voldoet aan y″ + 10y′ + 24y = 24·u(t). Het begint in rust (y(0) = 0, y′(0) = 0) en de ingang is een stap u(t) = 1 voor t ≥ 0. Gebruik de Laplacetransformatie om de uitgang y(0,25) te bepalen.

y″ + 10y′ + 24y = 24·u(t)u(t) = 1y(0) = 0, y′(0) = 0t = 0,25 s
y(0.25) =
5.StapresponsieGemiddeld
t (s)y(t)3?

Een systeem heeft de overdrachtsfunctie G(s) = 150/(s² + 4s + 50) en krijgt een eenheidsstap als ingang. Bepaal de procentuele overshoot %OS van de stapresponsie.

G(s) = 150/(s² + 4s + 50)
%OS = %
6.StapresponsieMoeilijk
R(s)+Ks(s + 2)G(s)C(s)−

Een lus met negatieve eenheidsterugkoppeling heeft G(s) = K/(s(s + 2)). Bepaal de versterking K die een stapresponsie met 15 % overshoot geeft.

G(s) = K/(s(s + 2))%OS = 15 %
K =
7.Bodediagrammen en margesGemiddeld
vin​C = 100 nFR = 47 kΩvout​

Het getoonde RC-hoogdoorlaatfilter heeft R = 47 kΩ, C = 100 nF. Er wordt een sinusvormige ingang van 100 Hz aangelegd. Bepaal de faseverschuiving φ van vout ten opzichte van vin, in graden.

R = 47 kΩC = 100 nFf = 100 Hz
φ = °
8.Bodediagrammen en margesMoeilijk
|H| (dB)0,10,1111010100100−80−60−40−2002040ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−270−180−900ω180​

Een lus met eenheidsterugkoppeling heeft de open-lus-overdrachtsfunctie L(s) = 14/(s(s + 1)(s + 7)). Bepaal de versterkingsmarge GM in dB.

L(s) = 14/(s(s + 1)(s + 7))
GM = dB

3Oplossingen

1.Convolutie en LTI-systemen

Antwoord: Ay = 16

Continue convolutie: y(t) = ∫ x(τ)·h(t − τ) dτ. Spiegel h, schuif hem naar positie t en integreer het product van de overlappende delen. Voor causale signalen loopt de integraal van 0 tot t. Handige resultaten: de oppervlakte van y is de oppervlakte van x maal die van h; als x duurt van t₁ tot t₂ en h van t₃ tot t₄, dan duurt y van t₁ + t₃ tot t₂ + t₄. Voor h(t) = e−atu(t) en een stap met hoogte A is y(t) = (A/a)(1 − e−at).

Oppervlakten van de ingangen

∫x dt = 2·2 = 4
∫h dt = 4·1 = 4

Oppervlakte van de uitgang

Ay = 4·4 = 16

Antwoord

Ay = 16
2.Convolutie en LTI-systemen

Antwoord: c5 = 0,1621

Impulsresponsie en fourierreeks: de impulsresponsie h(t) beschrijft een LTI-systeem volledig: voor y′ + a·y = b·x is die h(t) = b·e−atu(t), en voor y[n] = a·y[n − 1] + b·x[n] is die h[n] = b·aⁿu[n]. Een sinusoïde cos ωt gaat erdoorheen met versterking |H(jω)| en fase ∠H(jω), waarbij H de fouriertransformatie van h is. Een periodiek signaal is een som van harmonischen bij k/T: een blokgolf van ±A heeft alleen oneven harmonischen met amplitudes 4A/(kπ), een driehoeksgolf met piek A heeft 8A/(π²k²), en een pulstrein met hoogte A en duty cycle D heeft het gemiddelde A·D en de harmonischen (2A/(kπ))·|sin(kπD)|.

Harmonischenummer

f₀ = 1/T = 500 Hz → k = 5

Amplitude

c5 = 8·5/(π²·5²) = 0,1621

Antwoord

c5 = 0,1621
3.Laplacetransformaties

Antwoord: f(0.5) = 1,897

Laplacetransformatie: F(s) = ∫₀∞ f(t)·e−st dt maakt van afgeleiden vermenigvuldigingen met s: ℒ{f′} = sF(s) − f(0), ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0). Standaardparen: 1 ↔ 1/s, e−at ↔ 1/(s + a), t·e−at ↔ 1/(s + a)², sin ωt ↔ ω/(s² + ω²), cos ωt ↔ s/(s² + ω²), en een verschuiving s → s + σ vermenigvuldigt de tijdfunctie met e−σt. Om een rationale F(s) terug te transformeren, splits je haar in partieelbreuken: het residu van een enkelvoudige pool p is A = [(s − p)·F(s)] bij s = p. Eindwaardestelling: f(∞) = lims→0 s·F(s), alleen geldig als alle polen van s·F(s) in het linkerhalfvlak liggen. Beginwaardestelling: f(0⁺) = lims→∞ s·F(s).

Ontbind de noemer

s² + 6s + 9 = (s + 3)²

Partieelbreuken

s + 18 = 1(s + 3) + 15
F(s) = 1/(s + 3) + 15/(s + 3)²

Inverse transformatie

f(t) = e−3t + 15·t·e−3t
f(0,5) = (1 + 15·0,5)·e−3·0,5 = 1,897

Antwoord

f(0,5) = 1,897
4.Laplacetransformaties

Antwoord: y(0.25) = 0,3426

Laplacetransformatie: F(s) = ∫₀∞ f(t)·e−st dt maakt van afgeleiden vermenigvuldigingen met s: ℒ{f′} = sF(s) − f(0), ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0). Standaardparen: 1 ↔ 1/s, e−at ↔ 1/(s + a), t·e−at ↔ 1/(s + a)², sin ωt ↔ ω/(s² + ω²), cos ωt ↔ s/(s² + ω²), en een verschuiving s → s + σ vermenigvuldigt de tijdfunctie met e−σt. Om een rationale F(s) terug te transformeren, splits je haar in partieelbreuken: het residu van een enkelvoudige pool p is A = [(s − p)·F(s)] bij s = p. Eindwaardestelling: f(∞) = lims→0 s·F(s), alleen geldig als alle polen van s·F(s) in het linkerhalfvlak liggen. Beginwaardestelling: f(0⁺) = lims→∞ s·F(s).

Transformeer de vergelijking

Y(s) = 24/(s(s + 4)(s + 6))

Partieelbreuken

A = 24/(4·6) = 1
B = 24/((−4)·2) = −3
C = 24/((−6)·(−2)) = 2

Output

y(t) = 1 − 3·e−4t + 2·e−6t
y(0,25) = 0,3426

Antwoord

y(0,25) = 0,3426
5.Stapresponsie

Antwoord: %OS = 39,6 %

Stapresponsie: een eerste-ordesysteem G(s) = K/(τs + 1) beantwoordt een stap van grootte U met y(t) = K·U·(1 − e−t/τ): het bereikt 63,2 % van de eindwaarde K·U na één tijdconstante τ en 98 % na 4τ. Een tweede-ordesysteem G(s) = K·ωₙ²/(s² + 2ζωₙs + ωₙ²) heeft de polen s = −ζωₙ ± jωd met ωd = ωₙ√(1 − ζ²). Voor 0 < ζ < 1 schiet de stapresponsie door: procentuele overshoot %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), piektijd tp = π/ωd, en de 2%-insteltijd ts ≈ 4/(ζωₙ). Vergelijk de noemer met s² + 2ζωₙs + ωₙ² om ωₙ en ζ af te lezen. Voor een massa-veer-demper is ωₙ = √(k/m) en ζ = c/(2√(km)); voor een serie-RLC-schakeling is ωₙ = 1/√(LC) en ζ = (R/2)·√(C/L).

Vergelijk met de standaardvorm

De noemer moet overeenkomen met s² + 2ζωₙs + ωₙ².

ωₙ² = 50 → ωₙ = 7,071 rad/s
2ζωₙ = 4 → ζ = 4/(2·7,071) = 0,2828

Resultaat

%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 100·e−0,9264 = 39,6 %

Antwoord

%OS = 39,6 %
6.Stapresponsie

Antwoord: K = 3,742

Stapresponsie: een eerste-ordesysteem G(s) = K/(τs + 1) beantwoordt een stap van grootte U met y(t) = K·U·(1 − e−t/τ): het bereikt 63,2 % van de eindwaarde K·U na één tijdconstante τ en 98 % na 4τ. Een tweede-ordesysteem G(s) = K·ωₙ²/(s² + 2ζωₙs + ωₙ²) heeft de polen s = −ζωₙ ± jωd met ωd = ωₙ√(1 − ζ²). Voor 0 < ζ < 1 schiet de stapresponsie door: procentuele overshoot %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), piektijd tp = π/ωd, en de 2%-insteltijd ts ≈ 4/(ζωₙ). Vergelijk de noemer met s² + 2ζωₙs + ωₙ² om ωₙ en ζ af te lezen. Voor een massa-veer-demper is ωₙ = √(k/m) en ζ = c/(2√(km)); voor een serie-RLC-schakeling is ωₙ = 1/√(LC) en ζ = (R/2)·√(C/L).

Gesloten-lusoverdrachtsfunctie

T(s) = K/(s² + 2s + K)

Dempingsfactor uit de overshoot

ζ = −ln(0,15)/√(π² + ln²(0,15)) = 0,5169

Versterking

ωₙ = 2/(2ζ) = 1,934 rad/s
K = ωₙ² = 3,742

Antwoord

K = 3,742
7.Bodediagrammen en marges

Antwoord: φ = 18,71 °

Frequentierespons: substitueer s = jω in de overdrachtsfunctie. De grootte in decibel is 20·log₁₀|H(jω)| en de fase is de som van de hoeken van de tellerfactoren min die van de noemerfactoren. Een eerste-orde RC- of RL-filter heeft zijn kantelfrequentie (−3 dB) bij ωc = 1/(RC) of R/L, en fc = ωc/(2π); een laagdoorlaatfilter geeft |H| = 1/√(1 + (ω/ωc)²) en φ = −atan(ω/ωc). In het asymptotische (rechte-lijn-)Bodediagram buigt elke pool de grootte met 20 dB/decade omlaag bij zijn kantelfrequentie, buigt elk nulpunt haar met 20 dB/decade omhoog, en geeft een integrator 1/s −20 dB/decade bij alle frequenties. Versterkingsdoorsnijding ωc: |L(jω)| = 1 (0 dB); fasemarge PM = 180° + ∠L(jωc). Faseomslag ω180: ∠L(jω) = −180°; versterkingsmarge GM = −20·log₁₀|L(jω180)| dB. De gesloten lus is stabiel als beide marges positief zijn.

Kantelfrequentie

ωc = 1/(RC) = 1/(47000·1 × 10⁻⁷) = 212,8 rad/s
fc = 33,86 Hz → f/fc = 100/33,86 = 2,953

Fase

φ = 90° − atan(2,953) = 18,71°

Antwoord

φ = 18,71°
8.Bodediagrammen en marges

Antwoord: GM = 12,04 dB

Frequentierespons: substitueer s = jω in de overdrachtsfunctie. De grootte in decibel is 20·log₁₀|H(jω)| en de fase is de som van de hoeken van de tellerfactoren min die van de noemerfactoren. Een eerste-orde RC- of RL-filter heeft zijn kantelfrequentie (−3 dB) bij ωc = 1/(RC) of R/L, en fc = ωc/(2π); een laagdoorlaatfilter geeft |H| = 1/√(1 + (ω/ωc)²) en φ = −atan(ω/ωc). In het asymptotische (rechte-lijn-)Bodediagram buigt elke pool de grootte met 20 dB/decade omlaag bij zijn kantelfrequentie, buigt elk nulpunt haar met 20 dB/decade omhoog, en geeft een integrator 1/s −20 dB/decade bij alle frequenties. Versterkingsdoorsnijding ωc: |L(jω)| = 1 (0 dB); fasemarge PM = 180° + ∠L(jωc). Faseomslag ω180: ∠L(jω) = −180°; versterkingsmarge GM = −20·log₁₀|L(jω180)| dB. De gesloten lus is stabiel als beide marges positief zijn.

Faseomslag

(ω/1)·(ω/7) = 1 → ω180 = √(1·7) = 2,646 rad/s

Grootte bij de faseomslag

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 1)·√(ω² + 49)) = K/(1·7·(1 + 7)) = K/56

Versterkingsmarge

GM = 20·log₁₀(56/14) = 12,04 dB

Antwoord

GM = 12,04 dB

ExamProblems · examproblems.com/courses/signals-and-systems