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)t12

x(t) = 1 (0 ≤ t < 1 s için) darbesi, h(t) = 2 (0 ≤ t < 1 s için) darbesiyle evrişiliyor. y(t) = x(t) ∗ h(t) eğrisinin altındaki alanı (Ay) bulun.

x(t) = 1, 0 ≤ t < 1 sh(t) = 2, 0 ≤ t < 1 s
Ay =
2.Evrişim ve LTI sistemlerZor
δ[n]3+h[n]0,9·z⁻¹+

Bir sistem y[n] = 0,9·y[n − 1] + 3·x[n] denklemine uyar ve durgun başlar. Darbe yanıtı örneğini (h[3]) bulun.

y[n] = 0,9y[n − 1] + 3x[n]x[n] = δ[n]
h[3] =
3.Laplace dönüşümleriOrta
ReIm−0,5−1−1,5−2−2,5−3−3,5−4−4,50,51

F(s) = 24/(s² + 7s + 12). Ters dönüşümü f(t) = A·e−3t + B·e−4t biçimindedir. A katsayısını kısmi kesirlerle bulun.

F(s) = 24/(s² + 7s + 12)
A =
4.Laplace dönüşümleriZor
t (s)y(t)t = 0,75y(0,75) = ?

y″ + 5y′ + 4y = 0 denklemini y(0) = 3 ve y′(0) = 11 ile Laplace dönüşümü kullanarak çözün ve y(0,75) değerini bulun.

y″ + 5y′ + 4y = 0y(0) = 3y′(0) = 11t = 0,75 s
y(0.75) =
5.Basamak yanıtıOrta
t (s)y(t)3?

Bir sistemin transfer fonksiyonu G(s) = 123/(s² + 8s + 41)’dır ve birim basamak girişi alıyor. Basamak yanıtının yüzde aşımını %OS bulun.

G(s) = 123/(s² + 8s + 41)
%OS = %
6.Basamak yanıtıZor
+−12 VR = 4 ΩL = 20 mHC = 47 µFvC​

R = 4 Ω, L = 20 mH ve C = 47 µF olan bir seri RLC devresi, t = 0’da 12 V’luk bir basamağa bağlanıyor. Kondansatör yüksüzdür ve basamaktan önce akım akmıyor. İlk gerilim tepesinin zamanını tp ms cinsinden bulun.

R = 4 ΩL = 20 mHC = 47 µFV = 12 V
tp = ms
7.Bode diyagramları ve paylarOrta
|H| (dB)0,1110100−40−20020ω (rad/s)ω = 5

G(s) = 324/((s + 4)(s + 9)) fonksiyonunun ω = 5 rad/s’deki tam |G(jω)| genliğini dB cinsinden bulun.

G(s) = 324/((s + 4)(s + 9))ω = 5 rad/s
|G(jω)| = dB
8.Bode diyagramları ve paylarZor
|H| (dB)0,10,1111010100100−60−40−2002040ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−180−135−90−450ωc​

Birim geri beslemeli bir çevrimin açık çevrim transfer fonksiyonu L(s) = 32/(s(s + 8))’dır. Faz payını PM derece cinsinden bulun.

L(s) = 32/(s(s + 8))
PM = °

3Çözeltiler

1.Evrişim ve LTI sistemler

Cevap: Ay = 2

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 = 1·1 = 1
∫h dt = 2·1 = 2

Çıkışın alanı

Ay = 1·2 = 2

Cevap

Ay = 2
2.Evrişim ve LTI sistemler

Cevap: h[3] = 2,187

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.

Yineleyin

h[0] = 3
h[1] = 2,7
h[2] = 2,43
h[3] = 2,187

Sonuç

h[3] = 3·(0,9)3 = 2,187

Cevap

h[3] = 2,187
3.Laplace dönüşümleri

Cevap: A = 24

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 + 7s + 12 = (s + 3)(s + 4)
F(s) = A/(s + 3) + B/(s + 4)

Kapatma kuralı

(s + 3) ile çarpın ve s = −3 koyun: B terimi yok olur.

A = 24/(s + 4) |s = −3 = 24/1 = 24

Cevap

A = 24
(B = −24, dolayısıyla f(t) = 24·e−3t − 24·e−4t)
4.Laplace dönüşümleri

Cevap: y(0.75) = 3,389

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

s²Y − 3s − 11 + 5(sY − 3) + 4Y = 0
Y(s) = (3s + 26)/((s + 1)(s + 4))

Kısmi kesirler

A = 23/3 = 7,667
B = 14/(−3) = −4,667

Sonuç

y(t) = 7,667·e−t − 4,667·e−4t
y(0,75) = 3,389

Cevap

y(0,75) = 3,389

Kontrol: y(0) = A + B = 3.

5.Basamak yanıtı

Cevap: %OS = 8,1 %

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 = 41 → ωₙ = 6,403 rad/s
2ζωₙ = 8 → ζ = 8/(2·6,403) = 0,6247

Sonuç

%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 100·e−2,513 = 8,1 %

Cevap

%OS = 8,1 %
6.Basamak yanıtı

Cevap: tp = 3,06 ms

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/√(0,02·4,7 × 10⁻⁵) = 1031 rad/s
ζ = (R/2)·√(C/L) = (4/2)·√(4,7 × 10⁻⁵/0,02) = 0,09695

Sonuç

ωd = 1027 rad/s
tp = π/ωd = 3,06 ms

Cevap

tp = 3,06 ms
7.Bode diyagramları ve paylar

Cevap: |G(jω)| = 13,83 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(j5)| = 324/(√(5² + 4²)·√(5² + 9²)) = 324/(6,403·10,3) = 4,915

Sonuç

20·log₁₀(4,915) = 13,83 dB

Cevap

|G(jω)| = 13,83 dB
8.Bode diyagramları ve paylar

Cevap: PM = 65,53 °

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 + 64ω² − 1024 = 0
ω² = (−64 + √(4096 + 4·1024))/2 = 13,25
ωc = 3,641 rad/s

Faz payı

∠L(jωc) = −90° − atan(3,641/8) = −114,5°
PM = 180° + ∠L = 65,53°

Cevap

PM = 65,53°

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