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)t11h(t)t22

De puls x(t) = 1 voor 0 ≤ t < 1 s (elders nul) wordt aangelegd op een systeem met de impulsresponsie h(t) = 2 voor 0 ≤ t < 2 s (elders nul). Bepaal de uitgang y(1,5) bij t = 1,5 s.

x(t) = 1, 0 ≤ t < 1 sh(t) = 2, 0 ≤ t < 2 st = 1,5 s
y(1.5) =
2.Convolutie en LTI-systemenMoeilijk
δ[n]3+h[n]0,5·z⁻¹+

Een systeem voldoet aan y[n] = 0,5·y[n − 1] + 3·x[n] en start in rust. Bepaal het monster h[3] van zijn impulsresponsie.

y[n] = 0,5y[n − 1] + 3x[n]x[n] = δ[n]
h[3] =
3.LaplacetransformatiesGemiddeld
t (s)f(t)t = 0,5f(0,5) = ?

Bepaal f(t) voor F(s) = (4s + 26)/(s² + 8s + 16) en bereken f(0,5).

F(s) = (4s + 26)/(s² + 8s + 16)t = 0,5 s
f(0.5) =
4.LaplacetransformatiesMoeilijk
t (s)y(t)t = 0,75y(0,75) = ?

Een systeem voldoet aan y″ + 4y′ + 3y = 9·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(0,75) te bepalen.

y″ + 4y′ + 3y = 9·u(t)u(t) = 5y(0) = 0, y′(0) = 0t = 0,75 s
y(0.75) =
5.StapresponsieGemiddeld
t (s)y(t)1?

Een systeem heeft de overdrachtsfunctie G(s) = 80/(s² + 4s + 80) en krijgt een eenheidsstap als ingang. Bepaal de procentuele overshoot %OS van de stapresponsie.

G(s) = 80/(s² + 4s + 80)
%OS = %
6.StapresponsieMoeilijk
+−12 VR = 46 ΩL = 100 mHC = 47 µFvC​

Een serie-RLC-schakeling met R = 46 Ω, L = 100 mH en C = 47 µF wordt op t = 0 aangesloten op een stap van 12 V. De condensator is ongeladen en er loopt voor de stap geen stroom. Bepaal de procentuele overshoot %OS van de condensatorspanning.

R = 46 ΩL = 100 mHC = 47 µFV = 12 V
%OS = %
7.Bodediagrammen en margesGemiddeld
vin​R = 10 kΩC = 47 nFvout​

Het getoonde RC-laagdoorlaatfilter heeft R = 10 kΩ, C = 47 nF. Er wordt een sinusvormige ingang van 1,7 kHz aangelegd. Bepaal de versterking |H| = |vout/vin| in dB.

R = 10 kΩC = 47 nFf = 1,7 kHz
|H| = dB
8.Bodediagrammen en margesMoeilijk
|H| (dB)11101010010010001000−80−60−40−2002040ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−180−135−90−450ωc​ = ?

Een lus met eenheidsterugkoppeling heeft de open-lus-overdrachtsfunctie L(s) = 210/(s(s + 10)). Bepaal de versterkingsdoorsnijfrequentie ωc, waar |L(jω)| = 1.

L(s) = 210/(s(s + 10))
ωc = rad/s

3Oplossingen

1.Convolutie en LTI-systemen

Antwoord: y(1.5) = 2

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).

Overlap van de gespiegelde puls

h(t − τ) is de puls van h, gespiegeld en zo verschoven dat hij eindigt bij τ = t.

τ ∈ [0, 1] → lengte 1 s

Integraal

y(1,5) = 1·2·1 = 2

Antwoord

y(1,5) = 2

y(t) is een trapezium: het stijgt vanaf 0, blijft op 2 en daalt terug naar 0 bij t = 3 s.

2.Convolutie en LTI-systemen

Antwoord: h[3] = 0,375

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)|.

Itereren

h[0] = 3
h[1] = 1,5
h[2] = 0,75
h[3] = 0,375

Resultaat

h[3] = 3·(0,5)3 = 0,375

Antwoord

h[3] = 0,375
3.Laplacetransformaties

Antwoord: f(0.5) = 1,218

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 + 8s + 16 = (s + 4)²

Partieelbreuken

4s + 26 = 4(s + 4) + 10
F(s) = 4/(s + 4) + 10/(s + 4)²

Inverse transformatie

f(t) = 4·e−4t + 10·t·e−4t
f(0,5) = (4 + 10·0,5)·e−4·0,5 = 1,218

Antwoord

f(0,5) = 1,218
4.Laplacetransformaties

Antwoord: y(0.75) = 5,162

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) = 45/(s(s + 1)(s + 3))

Partieelbreuken

A = 45/(1·3) = 15
B = 45/((−1)·2) = −22,5
C = 45/((−3)·(−2)) = 7,5

Output

y(t) = 15 − 22,5·e−t + 7,5·e−3t
y(0,75) = 5,162

Antwoord

y(0,75) = 5,162
5.Stapresponsie

Antwoord: %OS = 48,64 %

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 = 80 → ωₙ = 8,944 rad/s
2ζωₙ = 4 → ζ = 4/(2·8,944) = 0,2236

Resultaat

%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 100·e−0,7207 = 48,64 %

Antwoord

%OS = 48,64 %
6.Stapresponsie

Antwoord: %OS = 16,41 %

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).

Eigenfrequentie en dempingsfactor

ωₙ = 1/√(LC) = 1/√(0,1·4,7 × 10⁻⁵) = 461,3 rad/s
ζ = (R/2)·√(C/L) = (46/2)·√(4,7 × 10⁻⁵/0,1) = 0,4986

Resultaat

%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 16,41 %

Antwoord

%OS = 16,41 %
7.Bodediagrammen en marges

Antwoord: |H| = −14,18 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/(10000·4,7 × 10⁻⁸) = 2128 rad/s
fc = 338,6 Hz → f/fc = 1700/338,6 = 5,02

Versterking

|H| = 1/√(1 + 5,02²) = 0,1954
20·log₁₀(0,1954) = −14,18 dB

Antwoord

|H| = −14,18 dB
8.Bodediagrammen en marges

Antwoord: ωc = 12,88 rad/s

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.

Versterkingsdoorsnijding

ω⁴ + 100ω² − 44100 = 0
ω² = (−100 + √(10000 + 4·44100))/2 = 165,9
ωc = 12,88 rad/s

Antwoord

ωc = 12,88 rad/s

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