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)t5h(t)t1

De ingang x(t) = 5·e−5tu(t) wordt aangelegd op een systeem met h(t) = e−4tu(t). Bepaal de uitgang y(1,5) bij t = 1,5 s.

x(t) = 5·e−5tu(t)h(t) = e−4tu(t)t = 1,5 s
y(1.5) =
2.Convolutie en LTI-systemenMoeilijk
x(t)t (ms)0,5123−3

Een driehoeksgolf stijgt en daalt lineair tussen −3 en +3 met periode T = 1 ms. Bepaal de amplitude c1 van zijn fouriercomponent bij 1000 Hz.

±3T = 1 msf = 1000 Hz
c1 =
3.LaplacetransformatiesGemiddeld
ReIm−1−2−3−4−5−6−71

F(s) = (3s + 19)/(s² + 6s + 8). De inverse transformatie heeft de vorm f(t) = A·e−2t + B·e−4t. Bepaal de coëfficiënt A met partieelbreuken.

F(s) = (3s + 19)/(s² + 6s + 8)
A =
4.LaplacetransformatiesMoeilijk
t (s)y(t)t = 0,5y(0,5) = ?

Een systeem voldoet aan y″ + 7y′ + 6y = 24·u(t). Het begint in rust (y(0) = 0, y′(0) = 0) en de ingang is een stap u(t) = 5 voor t ≥ 0. Gebruik de Laplacetransformatie om de uitgang y(0,5) te bepalen.

y″ + 7y′ + 6y = 24·u(t)u(t) = 5y(0) = 0, y′(0) = 0t = 0,5 s
y(0.5) =
5.StapresponsieGemiddeld
t (s)y(t)0,5?

Een systeem heeft de overdrachtsfunctie G(s) = 50/(s² + 7s + 100) en krijgt een eenheidsstap als ingang. Bepaal de procentuele overshoot %OS van de stapresponsie.

G(s) = 50/(s² + 7s + 100)
%OS = %
6.StapresponsieMoeilijk
t (s)y(t)1tp​ = 0,25 s40 %

De stapresponsie van een tweede-ordesysteem zonder nullen toont 40 % overshoot, en de eerste piek treedt op bij t = 0,25 s. Bepaal de eigenfrequentie ωn.

%OS = 40 %tp = 0,25 s
ωn = rad/s
7.Bodediagrammen en margesGemiddeld
vin​R = 10 kΩC = 22 nFvout​

Het getoonde RC-laagdoorlaatfilter heeft R = 10 kΩ, C = 22 nF. Er wordt een sinusvormige ingang van 1,4 kHz aangelegd. Bepaal de versterking |H| = |vout/vin| in dB.

R = 10 kΩC = 22 nFf = 1,4 kHz
|H| = dB
8.Bodediagrammen en margesMoeilijk
|H| (dB)0,10,1111010100100−100−80−60−40−20020ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−270−180−900ω180​

Een lus met eenheidsterugkoppeling heeft de open-lus-overdrachtsfunctie L(s) = K/(s(s + 1)(s + 2)). Bepaal de versterking K die een versterkingsmarge van 15 dB geeft.

L(s) = K/(s(s + 1)(s + 2))GM = 15 dB
K =

3Oplossingen

1.Convolutie en LTI-systemen

Antwoord: y(1.5) = 0,009628

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).

Convolutie-integraal

y(t) = 5e−4t∫₀ᵗ e−(5 − 4)τ dτ = 5(e−4t − e−5t)/(1)

Bereken

y(1,5) = 5·(0,002479 − 0,0005531)/(1) = 0,009628

Antwoord

y(1,5) = 0,009628
2.Convolutie en LTI-systemen

Antwoord: c1 = 2,432

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 = 1000 Hz → k = 1

Amplitude

c1 = 8·3/(π²·1²) = 2,432

Antwoord

c1 = 2,432
3.Laplacetransformaties

Antwoord: A = 6,5

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 + 8 = (s + 2)(s + 4)
F(s) = A/(s + 2) + B/(s + 4)

Afdekregel

Vermenigvuldig met (s + 2) en vul s = −2 in: de B-term valt weg.

A = (3s + 19)/(s + 4) |s = −2 = 13/2 = 6,5

Antwoord

A = 6,5
(B = −3,5, dus f(t) = 6,5·e−2t − 3,5·e−4t)
4.Laplacetransformaties

Antwoord: y(0.5) = 5,642

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) = 120/(s(s + 1)(s + 6))

Partieelbreuken

A = 120/(1·6) = 20
B = 120/((−1)·5) = −24
C = 120/((−6)·(−5)) = 4

Output

y(t) = 20 − 24·e−t + 4·e−6t
y(0,5) = 5,642

Antwoord

y(0,5) = 5,642
5.Stapresponsie

Antwoord: %OS = 30,92 %

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 = 100 → ωₙ = 10 rad/s
2ζωₙ = 7 → ζ = 7/(2·10) = 0,35

Resultaat

%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 100·e−1,174 = 30,92 %

Antwoord

%OS = 30,92 %
6.Stapresponsie

Antwoord: ωn = 13,09 rad/s

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).

Dempingsverhouding

ζ = −ln(0,4)/√(π² + ln²(0,4)) = 0,9163/√(9,87 + 0,8396) = 0,28

Eigenfrequentie

ωd = π/tp = π/0,25 = 12,57 rad/s
ωₙ = ωd/√(1 − ζ²) = 12,57/0,96 = 13,09 rad/s

Antwoord

ωn = 13,09 rad/s
7.Bodediagrammen en marges

Antwoord: |H| = −6,762 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.

Kantelfrequentie

ωc = 1/(RC) = 1/(10000·2,2 × 10⁻⁸) = 4545 rad/s
fc = 723,4 Hz → f/fc = 1400/723,4 = 1,935

Versterking

|H| = 1/√(1 + 1,935²) = 0,4591
20·log₁₀(0,4591) = −6,762 dB

Antwoord

|H| = −6,762 dB
8.Bodediagrammen en marges

Antwoord: K = 1,067

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/2) = 1 → ω180 = √(1·2) = 1,414 rad/s

Grootte bij de faseomslag

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 1)·√(ω² + 4)) = K/(1·2·(1 + 2)) = K/6

Vereiste versterking

6/K = 1015/20 = 5,623
K = 6/5,623 = 1,067

Antwoord

K = 1,067

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