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

อินพุต x(t) = 10·e^−1tu(t) ถูกป้อนเข้าระบบที่มี h(t) = e^−2tu(t) จงหาเอาต์พุต y(1) ที่ t = 1 s

x(t) = 10·e^−1tu(t)h(t) = e^−2tu(t)t = 1 s

y(1) =

2.คอนโวลูชันและระบบ LTIยาก

อินพุต x(t) = 10·cos(7.5t) ถูกป้อนเข้าระบบที่มี h(t) = 2·e^−5tu(t) จงหาแอมพลิจูด Y_m ของเอาต์พุตสถานะคงตัว

h(t) = 2e^−5tu(t)x(t) = 10cos(7.5t)

Y_m =

3.การแปลงลาปลาซปานกลาง

จงหา f(t) สำหรับ F(s) = (2s + 9)/(s² + 10s + 25) และหาค่า f(0.2)

F(s) = (2s + 9)/(s² + 10s + 25)t = 0.2 s

f(0.2) =

4.การแปลงลาปลาซยาก

ระบบเป็นไปตาม y″ + 6y′ + 8y = 24·u(t) โดย y(0) = 6 และ y′(0) = 0 ที่ t = 0 มีอินพุตฟังก์ชันขั้น u(t) = 2 ป้อนเข้า จงใช้การแปลงลาปลาซหา y(0.5)

y″ + 6y′ + 8y = 24·u(t)y(0) = 6y′(0) = 0u(t) = 2t = 0.5 s

y(0.5) =

5.การตอบสนองต่อสัญญาณขั้นบันไดปานกลาง

ระบบหนึ่งมีฟังก์ชันถ่ายโอน G(s) = 16/(s² + 5s + 16) และรับอินพุตขั้นบันไดหนึ่งหน่วย จงหาค่าพุ่งเกินร้อยละ %OS ของการตอบสนองต่อสัญญาณขั้นบันได

G(s) = 16/(s² + 5s + 16)

%OS = %

6.การตอบสนองต่อสัญญาณขั้นบันไดยาก

วงจร RLC อนุกรมที่มี R = 62 Ω, L = 50 mH และ C = 4.7 µF ต่อกับแหล่งกำเนิดขั้นบันได 24 V ที่ t = 0 ตัวเก็บประจุยังไม่มีประจุ และไม่มีกระแสไหลก่อนการเปลี่ยนขั้น จงหาเวลา t_p ของยอดแรงดันครั้งแรก เป็น ms

R = 62 ΩL = 50 mHC = 4.7 µFV = 24 V

t_p = ms

7.แผนภาพโบดและขอบเสถียรภาพปานกลาง

จงหาขนาดที่แน่นอน |G(jω)| ของ G(s) = 714/((s + 7)(s + 17)) ที่ ω = 1 rad/s ใน dB

G(s) = 714/((s + 7)(s + 17))ω = 1 rad/s

|G(jω)| = dB

8.แผนภาพโบดและขอบเสถียรภาพยาก

วงรอบป้อนกลับหนึ่งหน่วยมีฟังก์ชันถ่ายโอนวงรอบเปิด L(s) = 68/(s(s + 4)(s + 8)) จงหาขอบอัตราขยาย GM ใน dB

L(s) = 68/(s(s + 4)(s + 8))

GM = dB

3สารละลาย

1.คอนโวลูชันและระบบ LTI

คำตอบ: y(1) = 2.325

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)

อินทิกรัลคอนโวลูชัน

y(t) = 10e^−2t∫₀ᵗ e^{−(1 − 2)τ} dτ = 10(e^−2t − e^−1t)/(−1)

คำนวณค่า

y(1) = 10·(0.1353 − 0.3679)/(−1) = 2.325

คำตอบ

y(1) = 2.325

2.คอนโวลูชันและระบบ LTI

คำตอบ: Y_m = 2.219

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) = 2/(5 + jω)

อัตราขยายที่ความถี่อินพุต

|H(j7.5)| = 2/√(5² + 7.5²) = 0.2219

Y_m = 10·0.2219 = 2.219

คำตอบ

Y_m = 2.219

3.การแปลงลาปลาซ

คำตอบ: f(0.2) = 0.6622

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 + 9 = 2(s + 5) + −1

F(s) = 2/(s + 5) − 1/(s + 5)²

การแปลงผกผัน

f(t) = 2·e^−5t − t·e^−5t

f(0.2) = (2 − 1·0.2)·e^−5·0.2 = 0.6622

คำตอบ

f(0.2) = 0.6622

4.การแปลงลาปลาซ

คำตอบ: y(0.5) = 6

แปลงสมการ

(s² + 6s + 8)·Y(s) = 6s + 36 + 48/s

Y(s) = (6s² + 36s + 48)/(s(s + 2)(s + 4))

เศษส่วนย่อย

A = 48/(2·4) = 6

B = 0/((−2)·2) = 0

C = 0/((−4)·(−2)) = 0

ผลลัพธ์

y(t) = 6

y(0.5) = 6

คำตอบ

y(0.5) = 6

ตรวจสอบ: y(0) = A + B + C = 6

5.การตอบสนองต่อสัญญาณขั้นบันได

คำตอบ: %OS = 8.084 %

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 = 16 → ωₙ = 4 rad/s

2ζωₙ = 5 → ζ = 5/(2·4) = 0.625

ผลลัพธ์

%OS = 100·e^{−ζπ/√(1−ζ²)} = 100·e^−2.515 = 8.084 %

คำตอบ

%OS = 8.084 %

6.การตอบสนองต่อสัญญาณขั้นบันได

คำตอบ: t_p = 1.597 ms

ความถี่ธรรมชาติและอัตราส่วนความหน่วง

ωₙ = 1/√(LC) = 1/√(0.05·4.7 × 10⁻⁶) = 2063 rad/s

ζ = (R/2)·√(C/L) = (62/2)·√(4.7 × 10⁻⁶/0.05) = 0.3006

ผลลัพธ์

ω_d = 1967 rad/s

t_p = π/ω_d = 1.597 ms

คำตอบ

t_p = 1.597 ms

7.แผนภาพโบดและขอบเสถียรภาพ

คำตอบ: |G(jω)| = 15.46 dB

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

คูณขนาด

|G(j1)| = 714/(√(1² + 7²)·√(1² + 17²)) = 714/(7.071·17.03) = 5.929

ผลลัพธ์

20·log₁₀(5.929) = 15.46 dB

คำตอบ

|G(jω)| = 15.46 dB

8.แผนภาพโบดและขอบเสถียรภาพ

คำตอบ: GM = 15.04 dB

จุดตัดเฟส

(ω/4)·(ω/8) = 1 → ω₁₈₀ = √(4·8) = 5.657 rad/s

ขนาดที่จุดตัดเฟส

|L(jω₁₈₀)| = K/(ω·√(ω² + 16)·√(ω² + 64)) = K/(4·8·(4 + 8)) = K/384

ขอบอัตราขยาย

GM = 20·log₁₀(384/68) = 15.04 dB

คำตอบ

GM = 15.04 dB

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