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 < 1 s (เป็นศูนย์ที่อื่น) ถูกป้อนเข้าระบบที่มีการตอบสนองต่ออิมพัลส์ h(t) = 1 สำหรับ 0 ≤ t < 3 s (เป็นศูนย์ที่อื่น) จงหาเอาต์พุต y(1) ที่ t = 1 s

x(t) = 4, 0 ≤ t < 1 sh(t) = 1, 0 ≤ t < 3 st = 1 s

y(1) =

2.คอนโวลูชันและระบบ LTIยาก

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

h(t) = 2e^−10tu(t)x(t) = 10cos(7.5t)

Y_m =

3.การแปลงลาปลาซปานกลาง

F(s) = (s + 20)/(s² + 5s + 4) การแปลงผกผันของมันมีรูป f(t) = A·e^−t + B·e^−4t จงหาสัมประสิทธิ์ A ด้วยเศษส่วนย่อย

F(s) = (s + 20)/(s² + 5s + 4)

A =

4.การแปลงลาปลาซยาก

ระบบเป็นไปตาม y″ + 10y′ + 24y = 96·u(t) โดย y(0) = 4 และ y′(0) = 0 ที่ t = 0 มีอินพุตฟังก์ชันขั้น u(t) = 4 ป้อนเข้า จงใช้การแปลงลาปลาซหา y(0.1)

y″ + 10y′ + 24y = 96·u(t)y(0) = 4y′(0) = 0u(t) = 4t = 0.1 s

y(0.1) =

5.การตอบสนองต่อสัญญาณขั้นบันไดปานกลาง

ระบบหนึ่งมีฟังก์ชันถ่ายโอน G(s) = 14/(s² + 6s + 28) และรับอินพุตขั้นบันไดหนึ่งหน่วย หาอัตราส่วนการหน่วง ζ

G(s) = 14/(s² + 6s + 28)

ζ =

6.การตอบสนองต่อสัญญาณขั้นบันไดยาก

ลูปป้อนกลับลบแบบหนึ่งหน่วยมี G(s) = 115/(s(s + 5)) จงหาเวลาเข้าสู่ค่าคงตัวที่เกณฑ์ 2 % t_s ของการตอบสนองต่อสัญญาณขั้นบันไดของลูปปิด โดยใช้ t_s ≈ 4/(ζωₙ)

G(s) = 115/(s(s + 5))

t_s = s

7.แผนภาพโบดและขอบเสถียรภาพปานกลาง

ตัวกรองความถี่ต่ำผ่าน RCที่แสดงมีR = 47 kΩ, C = 4.7 nF ป้อนอินพุตรูปซายน์ของ 3.6 kHz จงหาการเลื่อนเฟส φ ของ v_out เทียบกับ v_in เป็นองศา

R = 47 kΩC = 4.7 nFf = 3.6 kHz

φ = °

8.แผนภาพโบดและขอบเสถียรภาพยาก

วงรอบป้อนกลับหนึ่งหน่วยมีฟังก์ชันถ่ายโอนวงรอบเปิด L(s) = 962/(s(s + 9)(s + 10)) จงหาความถี่จุดตัดเฟส ω₁₈₀ ที่ ∠L(jω) = −180°

L(s) = 962/(s(s + 9)(s + 10))

ω₁₈₀ = rad/s

3สารละลาย

1.คอนโวลูชันและระบบ LTI

คำตอบ: y(1) = 4

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)

การซ้อนทับของพัลส์ที่กลับแล้ว

h(t − τ) คือพัลส์ของ h ที่กลับและเลื่อนให้สิ้นสุดที่ τ = t

τ ∈ [0, 1] → ความยาว 1 s

อินทิกรัล

y(1) = 4·1·1 = 4

คำตอบ

y(1) = 4

y(t) เป็นสี่เหลี่ยมคางหมู: ขึ้นจาก 0 คงที่ที่ 4 และลดกลับเป็น 0 ที่ t = 4 s

2.คอนโวลูชันและระบบ LTI

คำตอบ: Y_m = 1.6

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/(10 + jω)

อัตราขยายที่ความถี่อินพุต

|H(j7.5)| = 2/√(10² + 7.5²) = 0.16

Y_m = 10·0.16 = 1.6

คำตอบ

Y_m = 1.6

3.การแปลงลาปลาซ

คำตอบ: A = 6.333

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 + 5s + 4 = (s + 1)(s + 4)

F(s) = A/(s + 1) + B/(s + 4)

กฎปิดบัง

คูณด้วย (s + 1) และตั้ง s = −1: พจน์ B หายไป

A = (s + 20)/(s + 4) |_{s = −1} = 19/3 = 6.333

คำตอบ

A = 6.333

(B = −5.333 ดังนั้น f(t) = 6.333·e^−t − 5.333·e^−4t)

4.การแปลงลาปลาซ

คำตอบ: y(0.1) = 5.04

แปลงสมการ

(s² + 10s + 24)·Y(s) = 4s + 40 + 384/s

Y(s) = (4s² + 40s + 384)/(s(s + 4)(s + 6))

เศษส่วนย่อย

A = 384/(4·6) = 16

B = 288/((−4)·2) = −36

C = 288/((−6)·(−2)) = 24

ผลลัพธ์

y(t) = 16 − 36·e^−4t + 24·e^−6t

y(0.1) = 5.04

คำตอบ

y(0.1) = 5.04

ตรวจสอบ: y(0) = A + B + C = 4

5.การตอบสนองต่อสัญญาณขั้นบันได

คำตอบ: ζ = 0.5669

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 = 28 → ωₙ = 5.292 rad/s

2ζωₙ = 6 → ζ = 6/(2·5.292) = 0.5669

ผลลัพธ์

ζ = 0.5669

คำตอบ

ζ = 0.5669

6.การตอบสนองต่อสัญญาณขั้นบันได

คำตอบ: t_s = 1.6 s

ฟังก์ชันถ่ายโอนวงปิด

T(s) = 115/(s² + 5s + 115): ωₙ = 10.72 rad/s, ζ = 0.2331

เวลาเข้าสู่ค่าคงตัว

ζωₙ = 5/2 = 2.5

t_s ≈ 4/(ζωₙ) = 1.6 s

คำตอบ

t_s = 1.6 s

สำหรับลูปนี้ ζωₙ = a/2 ไม่ว่า K จะเป็นเท่าใด การเพิ่ม K ทำให้พุ่งเกินมากขึ้นแต่ไม่ทำให้เวลาเข้าสู่ค่าคงตัวสั้นลง

7.แผนภาพโบดและขอบเสถียรภาพ

คำตอบ: φ = −78.68 °

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

ความถี่มุม

ω_c = 1/(RC) = 1/(47000·4.7 × 10⁻⁹) = 4527 rad/s

f_c = 720.5 Hz → f/f_c = 3600/720.5 = 4.997

เฟส

φ = − atan(4.997) = −78.68°

คำตอบ

φ = −78.68°

8.แผนภาพโบดและขอบเสถียรภาพ

คำตอบ: ω₁₈₀ = 9.487 rad/s

จุดตัดเฟส

(ω/9)·(ω/10) = 1 → ω₁₈₀ = √(9·10) = 9.487 rad/s

คำตอบ

ω₁₈₀ = 9.487 rad/s

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