สัญญาณและระบบ: ชุดสรุปเร่งรัด

สรุปสูตร ขั้นตอนวิธีทำที่สำคัญของทุกหัวข้อ และโจทย์ฝึก 8 ข้อ พร้อมเฉลยละเอียดไว้ท้ายเล่ม

โจทย์ใหม่กลับไปที่รายวิชา

ในหน้าต่างพิมพ์ ให้เลือก “บันทึกเป็น PDF” เพื่อเก็บสำเนาไว้ในอุปกรณ์ของคุณ

1สูตรและวิธีทำ

คอนโวลูชันและระบบ LTI

คอนโวลูชันไม่ต่อเนื่อง: y[n] = Σ x[k]·h[n − k]
คอนโวลูชันต่อเนื่อง: y(t) = ∫ x(τ)·h(t − τ) dτ
ความยาวและผลรวม: L_y = L_x + L_h − 1, Σy = Σx·Σh
จุดเริ่มต้น จุดสิ้นสุด และพื้นที่: t₁ + t₃ … t₂ + t₄, ∫y = ∫x·∫h
ขั้นเข้าสู่ e^(−at)u(t): y(t) = (A/a)(1 − e^−at)
ระบบอันดับหนึ่ง: y′ + a·y = b·x → h(t) = b·e^−atu(t)
สมการเวียนเกิดอันดับหนึ่ง: y[n] = a·y[n − 1] + b·x[n] → h[n] = b·aⁿ
ไซน์ผ่าน h(t): |H(jω)|, ∠H(jω); H(jω) = b/(a + jω)
แอมพลิจูดของอนุกรมฟูริเยร์: สี่เหลี่ยม ±A: 4A/(kπ), k คี่; สามเหลี่ยม ±A: 8A/(π²k²), k คี่; ขบวนพัลส์: A·D และ (2A/(kπ))|sin kπD|

วิธีการ

ร่างสัญญาณทั้งสองและทำเครื่องหมายช่วงที่แต่ละสัญญาณไม่เป็นศูนย์
กลับ h แล้วเลื่อน: สำหรับแต่ละเวลาของเอาต์พุต หาช่วงที่สัญญาณทั้งสองซ้อนทับกัน
คูณแล้วบวก (ไม่ต่อเนื่อง) หรือคูณแล้วอินทิเกรต (ต่อเนื่อง) เฉพาะบริเวณที่ซ้อนทับ
ตรวจสอบผลลัพธ์: เอาต์พุตเริ่มที่ผลรวมของเวลาเริ่มต้น สิ้นสุดที่ผลรวมของเวลาสิ้นสุด และพื้นที่หรือผลรวมของมันคือผลคูณของพื้นที่หรือผลรวมของอินพุต

2โจทย์ฝึก

1.คอนโวลูชันและระบบ LTIปานกลาง

พัลส์ x(t) = 4 สำหรับ 0 ≤ t < 4 s ถูกคอนโวลูชันกับพัลส์ h(t) = 4 สำหรับ 0 ≤ t < 1 s จงหาพื้นที่ A_y ใต้ y(t) = x(t) ∗ h(t)

x(t) = 4, 0 ≤ t < 4 sh(t) = 4, 0 ≤ t < 1 s

A_y =

2.คอนโวลูชันและระบบ LTIยาก

อินพุต x(t) = 10·cos(1.5t) ถูกป้อนเข้าระบบที่มี h(t) = 5·e^−2tu(t) จงหาเฟส φ ของเอาต์พุตสถานะคงตัวเทียบกับอินพุต ในหน่วยองศา

h(t) = 5e^−2tu(t)x(t) = 10cos(1.5t)

φ = °

3.การแปลงลาปลาซปานกลาง

จงหา f(t) สำหรับ F(s) = (2s + 39)/(s² + 10s + 25) และหาค่า f(0.25)

F(s) = (2s + 39)/(s² + 10s + 25)t = 0.25 s

f(0.25) =

4.การแปลงลาปลาซยาก

ระบบเป็นไปตาม y″ + 8y′ + 15y = 37.5·u(t) เริ่มจากหยุดนิ่ง (y(0) = 0, y′(0) = 0) และอินพุตเป็นฟังก์ชันขั้น u(t) = 1 สำหรับ t ≥ 0 จงใช้การแปลงลาปลาซหาเอาต์พุต y(0.2)

y″ + 8y′ + 15y = 37.5·u(t)u(t) = 1y(0) = 0, y′(0) = 0t = 0.2 s

y(0.2) =

5.การตอบสนองต่อสัญญาณขั้นบันไดปานกลาง

ระบบหนึ่งมีฟังก์ชันถ่ายโอน G(s) = 186/(s² + 6s + 62) และรับอินพุตขั้นบันไดหนึ่งหน่วย จงหาเวลาเข้าสู่ค่าคงตัวที่เกณฑ์ 2 % t_s ของการตอบสนองต่อสัญญาณขั้นบันได โดยใช้ t_s ≈ 4/(ζωₙ)

G(s) = 186/(s² + 6s + 62)

t_s = s

6.การตอบสนองต่อสัญญาณขั้นบันไดยาก

วงจร RLC อนุกรมที่มี R = 37 Ω, L = 10 mH และ C = 4.7 µF ต่อกับแหล่งกำเนิดขั้นบันได 5 V ที่ t = 0 ตัวเก็บประจุยังไม่มีประจุ และไม่มีกระแสไหลก่อนการเปลี่ยนขั้น จงหาความถี่ธรรมชาติแบบไม่หน่วง ω_n เป็น rad/s

R = 37 ΩL = 10 mHC = 4.7 µFV = 5 V

ω_n = rad/s

7.แผนภาพโบดและขอบเสถียรภาพปานกลาง

จงหาเฟส ∠G(jω) ของ G(s) = 27(s + 16)/(s(s + 13)) ที่ ω = 20 rad/s เป็นองศา

G(s) = 27(s + 16)/(s(s + 13))ω = 20 rad/s

∠G(jω) = °

8.แผนภาพโบดและขอบเสถียรภาพยาก

วงรอบป้อนกลับหนึ่งหน่วยมีฟังก์ชันถ่ายโอนวงรอบเปิด L(s) = 38/(s(s + 2)(s + 6)) จงหาความถี่จุดตัดเฟส ω₁₈₀ ที่ ∠L(jω) = −180°

L(s) = 38/(s(s + 2)(s + 6))

ω₁₈₀ = rad/s

3สารละลาย

1.คอนโวลูชันและระบบ LTI

คำตอบ: A_y = 64

คอนโวลูชันต่อเนื่อง: y(t) = ∫ x(τ)·h(t − τ) dτ กลับ h เลื่อนไปที่ตำแหน่ง t และอินทิเกรตผลคูณของส่วนที่ซ้อนทับ สำหรับสัญญาณเชิงเหตุผล อินทิกรัลไปจาก 0 ถึง t ผลที่มีประโยชน์: พื้นที่ของ y เท่ากับพื้นที่ของ x คูณพื้นที่ของ h ถ้า x ยาวจาก t₁ ถึง t₂ และ h จาก t₃ ถึง t₄ แล้ว y ยาวจาก t₁ + t₃ ถึง t₂ + t₄ สำหรับ h(t) = e^−atu(t) และขั้นสูง A, y(t) = (A/a)(1 − e^−at)

พื้นที่ของอินพุต

∫x dt = 4·4 = 16

∫h dt = 4·1 = 4

พื้นที่ของเอาต์พุต

A_y = 16·4 = 64

คำตอบ

A_y = 64

2.คอนโวลูชันและระบบ LTI

คำตอบ: φ = −36.87 °

การตอบสนองต่ออิมพัลส์และอนุกรมฟูริเยร์: การตอบสนองต่ออิมพัลส์ h(t) อธิบายระบบ LTI อย่างสมบูรณ์: สำหรับ y′ + a·y = b·x คือ h(t) = b·e^−atu(t) และสำหรับ y[n] = a·y[n − 1] + b·x[n] คือ h[n] = b·aⁿu[n] ไซน์ cos ωt ผ่านด้วยอัตราขยาย |H(jω)| และเฟส ∠H(jω) โดย H คือการแปลงฟูริเยร์ของ h สัญญาณคาบคือผลรวมของฮาร์มอนิกที่ k/T: คลื่นสี่เหลี่ยม ±A มีเฉพาะฮาร์มอนิกคี่ที่มีแอมพลิจูด 4A/(kπ) คลื่นสามเหลี่ยมที่มียอด A มี 8A/(π²k²) และขบวนพัลส์สูง A ที่มีวัฏจักรหน้าที่ D มีค่าเฉลี่ย A·D และฮาร์มอนิก (2A/(kπ))·|sin(kπD)|

การตอบสนองเชิงความถี่

H(jω) = 5/(2 + jω)

เฟสที่ความถี่อินพุต

φ = −atan(1.5/2) = −36.87°

คำตอบ

φ = −36.87°

3.การแปลงลาปลาซ

คำตอบ: f(0.25) = 2.65

การแปลงลาปลาซ: F(s) = ∫₀^∞ f(t)·e^−st dt เปลี่ยนอนุพันธ์เป็นการคูณด้วย s: ℒ{f′} = sF(s) − f(0), ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0) คู่มาตรฐาน: 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) และการเลื่อน s → s + σ คูณฟังก์ชันเวลาด้วย e^−σt การแปลงผกผัน F(s) ที่เป็นเศษส่วนตรรกยะ ให้แยกเป็นเศษส่วนย่อย: ส่วนตกค้างของโพลเดี่ยว p คือ A = [(s − p)·F(s)] ที่ s = p ทฤษฎีบทค่าสุดท้าย: f(∞) = lim_s→0 s·F(s) ใช้ได้เฉพาะเมื่อโพลทั้งหมดของ s·F(s) อยู่ในระนาบครึ่งซ้าย ทฤษฎีบทค่าเริ่มต้น: f(0⁺) = lim_s→∞ s·F(s)

แยกตัวประกอบส่วน

s² + 10s + 25 = (s + 5)²

เศษส่วนย่อย

2s + 39 = 2(s + 5) + 29

F(s) = 2/(s + 5) + 29/(s + 5)²

การแปลงผกผัน

f(t) = 2·e^−5t + 29·t·e^−5t

f(0.25) = (2 + 29·0.25)·e^−5·0.25 = 2.65

คำตอบ

f(0.25) = 2.65

4.การแปลงลาปลาซ

คำตอบ: y(0.2) = 0.4495

แปลงสมการ

Y(s) = 37.5/(s(s + 3)(s + 5))

เศษส่วนย่อย

A = 37.5/(3·5) = 2.5

B = 37.5/((−3)·2) = −6.25

C = 37.5/((−5)·(−2)) = 3.75

สารน้ำออก

y(t) = 2.5 − 6.25·e^−3t + 3.75·e^−5t

y(0.2) = 0.4495

คำตอบ

y(0.2) = 0.4495

5.การตอบสนองต่อสัญญาณขั้นบันได

คำตอบ: t_s = 1.333 s

การตอบสนองต่อสัญญาณขั้นบันได: ระบบอันดับหนึ่ง G(s) = K/(τs + 1) ตอบสนองต่อสัญญาณขั้นบันไดขนาด U ด้วย y(t) = K·U·(1 − e^−t/τ) โดยจะถึง 63.2 % ของค่าสุดท้าย K·U เมื่อเวลาผ่านไปหนึ่งค่าคงตัวเวลา τ และถึง 98 % ที่ 4τ ระบบอันดับสอง G(s) = K·ωₙ²/(s² + 2ζωₙs + ωₙ²) มีโพล s = −ζωₙ ± jω_d โดย ω_d = ωₙ√(1 − ζ²) เมื่อ 0 < ζ < 1 การตอบสนองต่อสัญญาณขั้นบันไดจะพุ่งเกิน: ค่าพุ่งเกินร้อยละ %OS = 100·e^{−ζπ/√(1−ζ²)} เวลาถึงจุดสูงสุด t_p = π/ω_d และเวลาเข้าสู่ค่าคงตัวที่เกณฑ์ 2 % t_s ≈ 4/(ζωₙ) ให้เทียบตัวส่วนกับ s² + 2ζωₙs + ωₙ² เพื่ออ่านค่า ωₙ และ ζ สำหรับระบบมวล–สปริง–ตัวหน่วง ωₙ = √(k/m) และ ζ = c/(2√(km)) สำหรับวงจร RLC อนุกรม ωₙ = 1/√(LC) และ ζ = (R/2)·√(C/L)

เทียบกับรูปมาตรฐาน

ตัวส่วนต้องตรงกับ s² + 2ζωₙs + ωₙ²

ωₙ² = 62 → ωₙ = 7.874 rad/s

2ζωₙ = 6 → ζ = 6/(2·7.874) = 0.381

ผลลัพธ์

ζωₙ = 3 → t_s ≈ 4/3 = 1.333 s

คำตอบ

t_s = 1.333 s

6.การตอบสนองต่อสัญญาณขั้นบันได

คำตอบ: ω_n = 4613 rad/s

ความถี่ธรรมชาติและอัตราส่วนความหน่วง

ωₙ = 1/√(LC) = 1/√(0.01·4.7 × 10⁻⁶) = 4613 rad/s

ζ = (R/2)·√(C/L) = (37/2)·√(4.7 × 10⁻⁶/0.01) = 0.4011

ผลลัพธ์

ωₙ = 4613 rad/s

คำตอบ

ω_n = 4613 rad/s

7.แผนภาพโบดและขอบเสถียรภาพ

คำตอบ: ∠G(jω) = −95.64 °

การตอบสนองเชิงความถี่ (frequency response): แทน s = jω ในฟังก์ชันถ่ายโอน ขนาดเป็นเดซิเบลคือ 20·log₁₀|H(jω)| และเฟสคือผลรวมของมุมของตัวประกอบเศษลบด้วยมุมของตัวประกอบส่วน ตัวกรอง RC หรือ RL อันดับหนึ่งมีความถี่มุม (−3 dB) ที่ ω_c = 1/(RC) หรือ R/L และ f_c = ω_c/(2π) ตัวกรองความถี่ต่ำผ่านให้ |H| = 1/√(1 + (ω/ω_c)²) และ φ = −atan(ω/ω_c) ในแผนภาพโบดแบบเส้นกำกับ (เส้นตรง) โพล (pole) แต่ละตัวหักขนาดลง 20 dB/decade ที่ความถี่มุมของมัน ศูนย์ (zero) แต่ละตัวหักขึ้น 20 dB/decade และตัวอินทิเกรต 1/s ให้ −20 dB/decade ทุกความถี่ จุดตัดอัตราขยาย ω_c: |L(jω)| = 1 (0 dB) ขอบเฟส PM = 180° + ∠L(jω_c) จุดตัดเฟส ω₁₈₀: ∠L(jω) = −180° ขอบอัตราขยาย GM = −20·log₁₀|L(jω₁₈₀)| dB วงรอบปิดเสถียรเมื่อขอบทั้งสองเป็นบวก

บวกมุม

∠G = atan(20/16) − 90° − atan(20/13) = 51.34° − 90° − 56.98°

ผลลัพธ์

∠G(j20) = −95.64°

คำตอบ

∠G(jω) = −95.64°

8.แผนภาพโบดและขอบเสถียรภาพ

คำตอบ: ω₁₈₀ = 3.464 rad/s

จุดตัดเฟส

(ω/2)·(ω/6) = 1 → ω₁₈₀ = √(2·6) = 3.464 rad/s

คำตอบ

ω₁₈₀ = 3.464 rad/s

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