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) = 2 สำหรับ 0 ≤ t < 2 s (เป็นศูนย์ที่อื่น) ถูกป้อนเข้าระบบที่มี h(t) = e^−2tu(t) จงหาเอาต์พุต y(2.5) ที่ t = 2.5 s หลังจากพัลส์สิ้นสุดแล้ว

x(t) = 2, 0 ≤ t < 2 sh(t) = e^−2tu(t)t = 2.5 s

y(2.5) =

2.คอนโวลูชันและระบบ LTIยาก

คลื่นสามเหลี่ยมขึ้นและลงเป็นเส้นตรงระหว่าง −1 และ +1 ด้วยคาบ T = 20 ms จงหาแอมพลิจูด c₅ ของส่วนประกอบฟูริเยร์ที่ 250 Hz

±1T = 20 msf = 250 Hz

c₅ =

3.การแปลงลาปลาซปานกลาง

จงหา f(t) สำหรับ F(s) = 60/(s(s + 1)(s + 3)) ด้วยเศษส่วนย่อย และหาค่า f(0.4)

F(s) = 60/(s(s + 1)(s + 3))t = 0.4 s

f(0.4) =

4.การแปลงลาปลาซยาก

ระบบเป็นไปตาม y″ + 10y′ + 24y = 72·u(t) เริ่มจากหยุดนิ่ง (y(0) = 0, y′(0) = 0) และอินพุตเป็นฟังก์ชันขั้น u(t) = 1 สำหรับ t ≥ 0 จงใช้การแปลงลาปลาซหาเอาต์พุต y(0.2)

y″ + 10y′ + 24y = 72·u(t)u(t) = 1y(0) = 0, y′(0) = 0t = 0.2 s

y(0.2) =

5.การตอบสนองต่อสัญญาณขั้นบันไดปานกลาง

ระบบหนึ่งมีฟังก์ชันถ่ายโอน G(s) = 10/(s² + s + 10) และรับอินพุตขั้นบันไดหนึ่งหน่วย จงหาเวลาถึงจุดสูงสุด t_p ของการตอบสนองต่อสัญญาณขั้นบันได

G(s) = 10/(s² + s + 10)

t_p = s

6.การตอบสนองต่อสัญญาณขั้นบันไดยาก

ลูปป้อนกลับลบแบบหนึ่งหน่วยมี G(s) = K/(s(s + 8)) จงหาอัตราขยาย K ที่ทำให้การตอบสนองต่อสัญญาณขั้นบันไดพุ่งเกิน 15 %

G(s) = K/(s(s + 8))%OS = 15 %

K =

7.แผนภาพโบดและขอบเสถียรภาพปานกลาง

ตัวกรองความถี่ต่ำผ่าน RCที่แสดงมีR = 4.7 kΩ, C = 100 nF ป้อนอินพุตรูปซายน์ของ 1 kHz จงหาการเลื่อนเฟส φ ของ v_out เทียบกับ v_in เป็นองศา

R = 4.7 kΩC = 100 nFf = 1 kHz

φ = °

8.แผนภาพโบดและขอบเสถียรภาพยาก

วงรอบป้อนกลับหนึ่งหน่วยมีฟังก์ชันถ่ายโอนวงรอบเปิด L(s) = 1/(s(s + 1)) จงหาขอบเฟส PM เป็นองศา

L(s) = 1/(s(s + 1))

PM = °

3สารละลาย

1.คอนโวลูชันและระบบ LTI

คำตอบ: y(2.5) = 0.3611

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)

เอาต์พุตเมื่อสิ้นสุดพัลส์

y(2) = (2/2)(1 − e⁻⁴) = 0.9817

การลดลงหลังพัลส์

y(2.5) = 0.9817·e^−2·0.5 = 0.3611

คำตอบ

y(2.5) = 0.3611

2.คอนโวลูชันและระบบ LTI

คำตอบ: c₅ = 0.03242

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)|

ลำดับฮาร์มอนิก

f₀ = 1/T = 50 Hz → k = 5

แอมพลิจูด

c₅ = 8·1/(π²·5²) = 0.03242

คำตอบ

c₅ = 0.03242

3.การแปลงลาปลาซ

คำตอบ: f(0.4) = 2.902

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)

เศษส่วนย่อย

F(s) = A/s + B/(s + 1) + C/(s + 3)

A = 60/(1·3) = 20

B = 60/((−1)·2) = −30

C = 60/((−3)·(−2)) = 10

การแปลงผกผัน

f(t) = 20 − 30·e^−t + 10·e^−3t

คำนวณค่า

f(0.4) = 20 − 30·e^−0.4 + 10·e^−3·0.4 = 2.902

คำตอบ

f(0.4) = 2.902

4.การแปลงลาปลาซ

คำตอบ: y(0.2) = 0.7632

แปลงสมการ

Y(s) = 72/(s(s + 4)(s + 6))

เศษส่วนย่อย

A = 72/(4·6) = 3

B = 72/((−4)·2) = −9

C = 72/((−6)·(−2)) = 6

สารน้ำออก

y(t) = 3 − 9·e^−4t + 6·e^−6t

y(0.2) = 0.7632

คำตอบ

y(0.2) = 0.7632

5.การตอบสนองต่อสัญญาณขั้นบันได

คำตอบ: t_p = 1.006 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 = 10 → ωₙ = 3.162 rad/s

2ζωₙ = 1 → ζ = 1/(2·3.162) = 0.1581

ผลลัพธ์

ω_d = 3.162·√(1 − 0.1581²) = 3.122 rad/s → t_p = π/ω_d = 1.006 s

คำตอบ

t_p = 1.006 s

6.การตอบสนองต่อสัญญาณขั้นบันได

คำตอบ: K = 59.88

ฟังก์ชันถ่ายโอนวงปิด

T(s) = K/(s² + 8s + K)

อัตราส่วนความหน่วงจากค่าพุ่งเกิน

ζ = −ln(0.15)/√(π² + ln²(0.15)) = 0.5169

อัตราขยาย

ωₙ = 8/(2ζ) = 7.738 rad/s

K = ωₙ² = 59.88

คำตอบ

K = 59.88

7.แผนภาพโบดและขอบเสถียรภาพ

คำตอบ: φ = −71.29 °

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/(4700·1 × 10⁻⁷) = 2128 rad/s

f_c = 338.6 Hz → f/f_c = 1000/338.6 = 2.953

เฟส

φ = − atan(2.953) = −71.29°

คำตอบ

φ = −71.29°

8.แผนภาพโบดและขอบเสถียรภาพ

คำตอบ: PM = 51.83 °

จุดตัดอัตราขยาย

ω⁴ + 1ω² − 1 = 0

ω² = (−1 + √(1 + 4·1))/2 = 0.618

ω_c = 0.7862 rad/s

ขอบเฟส

∠L(jω_c) = −90° − atan(0.7862/1) = −128.2°

PM = 180° + ∠L = 51.83°

คำตอบ

PM = 51.83°

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