İşaretler ve Sistemler: hızlı tekrar paketi

Formül kâğıtları, her konunun temel yöntem adımları ve 8 alıştırma sorusu; tam çözümler en sonda.

Yeni sorularDerse dön

Yazdırma penceresinde, bir kopyayı cihazınızda saklamak için “PDF olarak kaydet” seçeneğini seçin.

1Formüller ve yöntemler

Evrişim ve LTI sistemler

Ayrık evrişim
y[n] = Σ x[k]·h[n − k]
Sürekli evrişim
y(t) = ∫ x(τ)·h(t − τ) dτ
Uzunluk ve toplam
Ly = Lx + Lh − 1, Σy = Σx·Σh
Başlangıç, bitiş ve alan
t1 + t3 … t2 + t4, ∫y = ∫x·∫h
e^(−at)u(t)’ye basamak girişi
y(t) = (A/a)(1 − e−at)
Birinci dereceden sistem
y′ + a·y = b·x → h(t) = b·e−atu(t)
Birinci dereceden özyineleme
y[n] = a·y[n − 1] + b·x[n] → h[n] = b·aⁿ
h(t)’den geçen sinüs
|H(jω)|, ∠H(jω); H(jω) = b/(a + jω)
Fourier serisi genlikleri
kare ±A: 4A/(kπ), k tek; üçgen ±A: 8A/(π²k²), k tek; darbe katarı: A·D ve (2A/(kπ))|sin kπD|

Yöntem

  1. İki işareti de çizin ve her birinin sıfırdan farklı olduğu yeri not edin.
  2. h’yi çevirip kaydırın: her çıkış zamanı için iki işaretin çakıştığı aralığı bulun.
  3. Yalnızca o çakışma üzerinde çarpıp toplayın (ayrık) veya çarpıp integre edin (sürekli).
  4. Sonucu kontrol edin: çıkış, başlangıç zamanlarının toplamında başlar, bitiş zamanlarının toplamında biter; alanı veya toplamı da girişlerin alanlarının veya toplamlarının çarpımıdır.

2Alıştırma soruları

1.Evrişim ve LTI sistemlerOrta
x(t)t11h(t)t22

x(t) = 1 (0 ≤ t < 1 s için, başka yerde sıfır) darbesi, h(t) = 2 (0 ≤ t < 2 s için, başka yerde sıfır) darbe yanıtına sahip bir sisteme uygulanıyor. t = 0.5 s anında çıkışı (y(0,5)) bulun.

x(t) = 1, 0 ≤ t < 1 sh(t) = 2, 0 ≤ t < 2 st = 0,5 s
y(0.5) =
2.Evrişim ve LTI sistemlerZor
5cos(3,75t)h(t) = 2e−5t​u(t)y(t)

x(t) = 5·cos(3,75t) girişi, h(t) = 2·e−5tu(t) olan bir sisteme uygulanıyor. Kalıcı durum çıkışının genliğini (Ym) bulun.

h(t) = 2e−5tu(t)x(t) = 5cos(3,75t)
Ym =
3.Laplace dönüşümleriOrta
t (s)f(t)t = 0,6f(0,6) = ?

F(s) = (4s + 34)/(s² + 6s + 9) için f(t)’yi bulun ve f(0,6) değerini hesaplayın.

F(s) = (4s + 34)/(s² + 6s + 9)t = 0,6 s
f(0.6) =
4.Laplace dönüşümleriZor
t (s)y(t)t = 0,2y(0,2) = ?

Bir sistem y″ + 9y′ + 18y = 18·u(t) denklemine uyuyor; y(0) = 5 ve y′(0) = 0’dır. t = 0 anında u(t) = 2 basamak girişi uygulanır. y(0,2) değerini Laplace dönüşümüyle bulun.

y″ + 9y′ + 18y = 18·u(t)y(0) = 5y′(0) = 0u(t) = 2t = 0,2 s
y(0.2) =
5.Basamak yanıtıOrta
t (s)y(t)1ts​ = ?

Bir sistemin transfer fonksiyonu G(s) = 14/(s² + s + 14)’dır ve birim basamak girişi alıyor. ts ≈ 4/(ζωₙ) kullanarak basamak yanıtının %2 yerleşme süresini ts bulun.

G(s) = 14/(s² + s + 14)
ts = s
6.Basamak yanıtıZor
+−24 VR = 224 ΩL = 100 mHC = 2 µFvC​

R = 224 Ω, L = 100 mH ve C = 2 µF olan bir seri RLC devresi, t = 0’da 24 V’luk bir basamağa bağlanıyor. Kondansatör yüksüzdür ve basamaktan önce akım akmıyor. Kondansatörün tepe gerilimini vC,max bulun.

R = 224 ΩL = 100 mHC = 2 µFV = 24 V
vC,max = V
7.Bode diyagramları ve paylarOrta
|H| (dB)0,1110100−40−2002040ω (rad/s)ω = 1

G(s) = 126/((s + 1)(s + 9)) fonksiyonunun ω = 1 rad/s’deki tam |G(jω)| genliğini dB cinsinden bulun.

G(s) = 126/((s + 1)(s + 9))ω = 1 rad/s
|G(jω)| = dB
8.Bode diyagramları ve paylarZor
|H| (dB)0,10,1111010100100−60−40−200204060ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−180−135−90−450ωc​

Birim geri beslemeli bir çevrimin açık çevrim transfer fonksiyonu L(s) = 78/(s(s + 4))’dır. Faz payını PM derece cinsinden bulun.

L(s) = 78/(s(s + 4))
PM = °

3Çözeltiler

1.Evrişim ve LTI sistemler

Cevap: y(0.5) = 1

Sürekli evrişim: y(t) = ∫ x(τ)·h(t − τ) dτ. h’yi çevirin, t konumuna kaydırın ve çakışan kısımların çarpımını integre edin. Nedensel işaretler için integral 0’dan t’ye kadar alınır. Yararlı sonuçlar: y’nin alanı, x’in alanı çarpı h’nin alanıdır; x, t₁’den t₂’ye ve h, t₃’ten t₄’e kadar sürüyorsa y, t₁ + t₃’ten t₂ + t₄’e kadar sürer. h(t) = e−atu(t) ve A yüksekliğinde bir basamak için y(t) = (A/a)(1 − e−at).

Çevrilmiş darbenin çakışması

h(t − τ), h darbesinin çevrilip τ = t’de bitecek şekilde kaydırılmış hâlidir.

τ ∈ [0, 0,5] → uzunluk 0,5 s

İntegral

y(0,5) = 1·2·0,5 = 1

Cevap

y(0,5) = 1

y(t) bir yamuktur: 0’dan yükselir, 2’da kalır ve t = 3 s anında 0’a geri iner.

2.Evrişim ve LTI sistemler

Cevap: Ym = 1,6

Darbe yanıtı ve Fourier serisi: h(t) darbe yanıtı bir LTI sistemi tamamen tanımlar: y′ + a·y = b·x için h(t) = b·e−atu(t), y[n] = a·y[n − 1] + b·x[n] için ise h[n] = b·aⁿu[n]’dir. cos ωt sinüsü, |H(jω)| kazancı ve ∠H(jω) fazıyla geçer; burada H, h’nin Fourier dönüşümüdür. Periyodik bir işaret, k/T’deki harmoniklerin toplamıdır: ±A’lık bir kare dalgada yalnızca tek harmonikler vardır ve genlikleri 4A/(kπ)’dir; tepe değeri A olan bir üçgen dalgada 8A/(π²k²), A yüksekliğinde ve D görev oranında bir darbe katarında ise ortalama A·D ve harmonikler (2A/(kπ))·|sin(kπD)|’dir.

Frekans yanıtı

H(jω) = 2/(5 + jω)

Giriş frekansındaki kazanç

|H(j3,75)| = 2/√(5² + 3,75²) = 0,32
Ym = 5·0,32 = 1,6

Cevap

Ym = 1,6
3.Laplace dönüşümleri

Cevap: f(0.6) = 2,843

Laplace dönüşümü: F(s) = ∫₀∞ f(t)·e−st dt türevleri s ile çarpmaya çevirir: ℒ{f′} = sF(s) − f(0), ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0). Standart çiftler: 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); s → s + σ kayması zaman fonksiyonunu e−σt ile çarpar. Rasyonel bir F(s)’in ters dönüşümünü almak için onu kısmi kesirlere ayırın: basit bir p kutbunun kalıntısı A = [(s − p)·F(s)] değerinin s = p’deki değeridir. Son değer teoremi: f(∞) = lims→0 s·F(s); yalnızca s·F(s)’in tüm kutupları sol yarı düzlemdeyse geçerlidir. Başlangıç değeri teoremi: f(0⁺) = lims→∞ s·F(s).

Paydayı çarpanlarına ayırın

s² + 6s + 9 = (s + 3)²

Kısmi kesirler

4s + 34 = 4(s + 3) + 22
F(s) = 4/(s + 3) + 22/(s + 3)²

Ters dönüşüm

f(t) = 4·e−3t + 22·t·e−3t
f(0,6) = (4 + 22·0,6)·e−3·0,6 = 2,843

Cevap

f(0,6) = 2,843
4.Laplace dönüşümleri

Cevap: y(0.2) = 4,389

Laplace dönüşümü: F(s) = ∫₀∞ f(t)·e−st dt türevleri s ile çarpmaya çevirir: ℒ{f′} = sF(s) − f(0), ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0). Standart çiftler: 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); s → s + σ kayması zaman fonksiyonunu e−σt ile çarpar. Rasyonel bir F(s)’in ters dönüşümünü almak için onu kısmi kesirlere ayırın: basit bir p kutbunun kalıntısı A = [(s − p)·F(s)] değerinin s = p’deki değeridir. Son değer teoremi: f(∞) = lims→0 s·F(s); yalnızca s·F(s)’in tüm kutupları sol yarı düzlemdeyse geçerlidir. Başlangıç değeri teoremi: f(0⁺) = lims→∞ s·F(s).

Denklemi dönüştürün

(s² + 9s + 18)·Y(s) = 5s + 45 + 36/s
Y(s) = (5s² + 45s + 36)/(s(s + 3)(s + 6))

Kısmi kesirler

A = 36/(3·6) = 2
B = −54/((−3)·3) = 6
C = −54/((−6)·(−3)) = −3

Sonuç

y(t) = 2 + 6·e−3t − 3·e−6t
y(0,2) = 4,389

Cevap

y(0,2) = 4,389

Kontrol: y(0) = A + B + C = 5.

5.Basamak yanıtı

Cevap: ts = 8 s

Basamak yanıtı: birinci dereceden bir G(s) = K/(τs + 1) sistemi, U büyüklüğündeki basamağa y(t) = K·U·(1 − e−t/τ) ile yanıt verir: bir zaman sabiti τ sonra K·U son değerinin %63,2’sine, 4τ sonra %98’ine ulaşır. İkinci dereceden bir G(s) = K·ωₙ²/(s² + 2ζωₙs + ωₙ²) sisteminin kutupları s = −ζωₙ ± jωd’dir; ωd = ωₙ√(1 − ζ²). 0 < ζ < 1 için basamak yanıtı aşım yapar: yüzde aşım %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), tepe zamanı tp = π/ωd ve %2 yerleşme süresi ts ≈ 4/(ζωₙ). ωₙ ve ζ’yi okumak için paydayı s² + 2ζωₙs + ωₙ² ile karşılaştırın. Kütle–yay–sönümleyici için ωₙ = √(k/m) ve ζ = c/(2√(km)); seri RLC devresi için ωₙ = 1/√(LC) ve ζ = (R/2)·√(C/L).

Standart biçimle karşılaştırın

Payda s² + 2ζωₙs + ωₙ² ile eşleşmelidir.

ωₙ² = 14 → ωₙ = 3,742 rad/s
2ζωₙ = 1 → ζ = 1/(2·3,742) = 0,1336

Sonuç

ζωₙ = 0,5 → ts ≈ 4/0,5 = 8 s

Cevap

ts = 8 s
6.Basamak yanıtı

Cevap: vC,max = 27,9 V

Basamak yanıtı: birinci dereceden bir G(s) = K/(τs + 1) sistemi, U büyüklüğündeki basamağa y(t) = K·U·(1 − e−t/τ) ile yanıt verir: bir zaman sabiti τ sonra K·U son değerinin %63,2’sine, 4τ sonra %98’ine ulaşır. İkinci dereceden bir G(s) = K·ωₙ²/(s² + 2ζωₙs + ωₙ²) sisteminin kutupları s = −ζωₙ ± jωd’dir; ωd = ωₙ√(1 − ζ²). 0 < ζ < 1 için basamak yanıtı aşım yapar: yüzde aşım %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), tepe zamanı tp = π/ωd ve %2 yerleşme süresi ts ≈ 4/(ζωₙ). ωₙ ve ζ’yi okumak için paydayı s² + 2ζωₙs + ωₙ² ile karşılaştırın. Kütle–yay–sönümleyici için ωₙ = √(k/m) ve ζ = c/(2√(km)); seri RLC devresi için ωₙ = 1/√(LC) ve ζ = (R/2)·√(C/L).

Doğal frekans ve sönüm oranı

ωₙ = 1/√(LC) = 1/√(0,1·2 × 10⁻⁶) = 2236 rad/s
ζ = (R/2)·√(C/L) = (224/2)·√(2 × 10⁻⁶/0,1) = 0,5009

Sonuç

%OS = 16,23 %
vC,max = 24·(1 + 0,1623) = 27,9 V

Cevap

vC,max = 27,9 V
7.Bode diyagramları ve paylar

Cevap: |G(jω)| = 19,86 dB

Frekans yanıtı: transfer fonksiyonunda s = jω koyun. Desibel cinsinden genlik 20·log₁₀|H(jω)|’dır ve faz, payın çarpanlarının açıları toplamından paydanınkilerin çıkarılmasıdır. Birinci dereceden bir RC ya da RL filtresinin köşe (−3 dB) frekansı ωc = 1/(RC) ya da R/L ve fc = ωc/(2π)’dir; bir alçak geçiren filtre |H| = 1/√(1 + (ω/ωc)²) ve φ = −atan(ω/ωc) verir. Asimptotik (doğru parçalı) Bode diyagramında her kutup genliği köşe frekansında 20 dB/dekad aşağı büker, her sıfır 20 dB/dekad yukarı büker ve bir integratör 1/s her frekansta −20 dB/dekad verir. Kazanç kesişimi ωc: |L(jω)| = 1 (0 dB); faz payı PM = 180° + ∠L(jωc). Faz kesişimi ω180: ∠L(jω) = −180°; kazanç payı GM = −20·log₁₀|L(jω180)| dB. İki pay da pozitifse kapalı çevrim kararlıdır.

Büyüklükleri çarpın

|G(j1)| = 126/(√(1² + 1²)·√(1² + 9²)) = 126/(1,414·9,055) = 9,839

Sonuç

20·log₁₀(9,839) = 19,86 dB

Cevap

|G(jω)| = 19,86 dB
8.Bode diyagramları ve paylar

Cevap: PM = 25,49 °

Frekans yanıtı: transfer fonksiyonunda s = jω koyun. Desibel cinsinden genlik 20·log₁₀|H(jω)|’dır ve faz, payın çarpanlarının açıları toplamından paydanınkilerin çıkarılmasıdır. Birinci dereceden bir RC ya da RL filtresinin köşe (−3 dB) frekansı ωc = 1/(RC) ya da R/L ve fc = ωc/(2π)’dir; bir alçak geçiren filtre |H| = 1/√(1 + (ω/ωc)²) ve φ = −atan(ω/ωc) verir. Asimptotik (doğru parçalı) Bode diyagramında her kutup genliği köşe frekansında 20 dB/dekad aşağı büker, her sıfır 20 dB/dekad yukarı büker ve bir integratör 1/s her frekansta −20 dB/dekad verir. Kazanç kesişimi ωc: |L(jω)| = 1 (0 dB); faz payı PM = 180° + ∠L(jωc). Faz kesişimi ω180: ∠L(jω) = −180°; kazanç payı GM = −20·log₁₀|L(jω180)| dB. İki pay da pozitifse kapalı çevrim kararlıdır.

Kazanç kesişimi

ω⁴ + 16ω² − 6084 = 0
ω² = (−16 + √(256 + 4·6084))/2 = 70,41
ωc = 8,391 rad/s

Faz payı

∠L(jωc) = −90° − atan(8,391/4) = −154,5°
PM = 180° + ∠L = 25,49°

Cevap

PM = 25,49°

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