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)t310h(t)t24

x(t) = 10 (0 ≤ t < 3 s için) darbesi, h(t) = 4 (0 ≤ t < 2 s için) darbesiyle evrişiliyor. y(t) = x(t) ∗ h(t) eğrisinin altındaki alanı (Ay) bulun.

x(t) = 10, 0 ≤ t < 3 sh(t) = 4, 0 ≤ t < 2 s
Ay =
2.Evrişim ve LTI sistemlerZor
δ(t)y′ + 0,5y = 10xh(t)

Bir sistem y′(t) + 0,5·y(t) = 10·x(t) denklemine uyar. t = 4 s anında darbe yanıtını (h(4)) bulun.

y′ + 0,5y = 10xt = 4 s
h(4) =
3.Laplace dönüşümleriOrta
ReIm−1−2−3−4−5−6−7−81

F(s) = (5s + 1)/(s² + 8s + 7). Ters dönüşümü f(t) = A·e−t + B·e−7t biçimindedir. A katsayısını kısmi kesirlerle bulun.

F(s) = (5s + 1)/(s² + 8s + 7)
A =
4.Laplace dönüşümleriZor
t (s)y(t)t = 0,25y(0,25) = ?

Bir sistem y″ + 9y′ + 18y = 54·u(t) denklemine uyuyor; y(0) = 1 ve y′(0) = 0’dır. t = 0 anında u(t) = 5 basamak girişi uygulanır. y(0,25) değerini Laplace dönüşümüyle bulun.

y″ + 9y′ + 18y = 54·u(t)y(0) = 1y′(0) = 0u(t) = 5t = 0,25 s
y(0.25) =
5.Basamak yanıtıOrta
t (s)y(t)2tp​ = ?

Bir sistemin transfer fonksiyonu G(s) = 40/(s² + 7s + 20)’dır ve birim basamak girişi alıyor. Basamak yanıtının tepe zamanını tp bulun.

G(s) = 40/(s² + 7s + 20)
tp = s
6.Basamak yanıtıZor
t (s)y(t)1tp​ = 0,8 s50 %

Sıfırı olmayan ikinci dereceden bir sistemin basamak yanıtı %50 aşım gösteriyor ve ilk tepe t = 0,8 s anında oluşuyor. Doğal frekansı ωn bulun.

%OS = 50 %tp = 0,8 s
ωn = rad/s
7.Bode diyagramları ve paylarOrta
vin​R = 10 ΩL = 2,2 mHvout​

Gösterilen RL yüksek geçiren filtre için R = 10 Ω, L = 2,2 mH geçerlidir. 140 Hz değerinde sinüsoidal bir giriş uygulanır. vout’un vin’e göre φ faz kaymasını derece cinsinden bulun.

R = 10 ΩL = 2,2 mHf = 140 Hz
φ = °
8.Bode diyagramları ve paylarZor
|H| (dB)11101010010010001000−60−40−200204060ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−180−135−90−450ωc​

Birim geri beslemeli bir çevrimin açık çevrim transfer fonksiyonu L(s) = 3100/(s(s + 20))’dır. Faz payını PM derece cinsinden bulun.

L(s) = 3100/(s(s + 20))
PM = °

3Çözeltiler

1.Evrişim ve LTI sistemler

Cevap: Ay = 240

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).

Girişlerin alanları

∫x dt = 10·3 = 30
∫h dt = 4·2 = 8

Çıkışın alanı

Ay = 30·8 = 240

Cevap

Ay = 240
2.Evrişim ve LTI sistemler

Cevap: h(4) = 1,353

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.

Transfer fonksiyonu

H(s) = Y(s)/X(s) = 10/(s + 0,5)

Darbe yanıtı

h(t) = 10·e−0,5tu(t)
h(4) = 10·e−2 = 1,353

Cevap

h(4) = 1,353
3.Laplace dönüşümleri

Cevap: A = −0,6667

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 + 8s + 7 = (s + 1)(s + 7)
F(s) = A/(s + 1) + B/(s + 7)

Kapatma kuralı

(s + 1) ile çarpın ve s = −1 koyun: B terimi yok olur.

A = (5s + 1)/(s + 7) |s = −1 = −4/6 = −0,6667

Cevap

A = −0,6667
(B = 5,667, dolayısıyla f(t) = −0,6667·e−t + 5,667·e−7t)
4.Laplace dönüşümleri

Cevap: y(0.25) = 4,898

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) = 1s + 9 + 270/s
Y(s) = (s² + 9s + 270)/(s(s + 3)(s + 6))

Kısmi kesirler

A = 270/(3·6) = 15
B = 252/((−3)·3) = −28
C = 252/((−6)·(−3)) = 14

Sonuç

y(t) = 15 − 28·e−3t + 14·e−6t
y(0,25) = 4,898

Cevap

y(0,25) = 4,898

Kontrol: y(0) = A + B + C = 1.

5.Basamak yanıtı

Cevap: tp = 1,128 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 = 20 → ωₙ = 4,472 rad/s
2ζωₙ = 7 → ζ = 7/(2·4,472) = 0,7826

Sonuç

ωd = 4,472·√(1 − 0,7826²) = 2,784 rad/s → tp = π/ωd = 1,128 s

Cevap

tp = 1,128 s
6.Basamak yanıtı

Cevap: ωn = 4,021 rad/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).

Sönüm oranı

ζ = −ln(0,5)/√(π² + ln²(0,5)) = 0,6931/√(9,87 + 0,4805) = 0,2155

Doğal frekans

ωd = π/tp = π/0,8 = 3,927 rad/s
ωₙ = ωd/√(1 − ζ²) = 3,927/0,9765 = 4,021 rad/s

Cevap

ωn = 4,021 rad/s
7.Bode diyagramları ve paylar

Cevap: φ = 79,05 °

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.

Köşe frekansı

ωc = R/L = 10/0,0022 = 4545 rad/s
fc = 723,4 Hz → f/fc = 140/723,4 = 0,1935

Faz

φ = 90° − atan(0,1935) = 79,05°

Cevap

φ = 79,05°
8.Bode diyagramları ve paylar

Cevap: PM = 20,35 °

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 + 400ω² − 9,61 × 10⁶ = 0
ω² = (−400 + √(160000 + 4·9,61 × 10⁶))/2 = 2906
ωc = 53,91 rad/s

Faz payı

∠L(jωc) = −90° − atan(53,91/20) = −159,6°
PM = 180° + ∠L = 20,35°

Cevap

PM = 20,35°

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