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)t24h(t)t35

x(t) = 4 (0 ≤ t < 2 s için, başka yerde sıfır) darbesi, h(t) = 5 (0 ≤ t < 3 s için, başka yerde sıfır) darbe yanıtına sahip bir sisteme uygulanıyor. t = 4.5 s anında çıkışı (y(4,5)) bulun.

x(t) = 4, 0 ≤ t < 2 sh(t) = 5, 0 ≤ t < 3 st = 4,5 s
y(4.5) =
2.Evrişim ve LTI sistemlerZor
x(t)t (ms)510203−3

Bir üçgen dalga, T = 10 ms periyotla −3 ile +3 arasında doğrusal olarak yükselir ve alçalır. 300 Hz’deki Fourier bileşeninin genliğini (c3) bulun.

±3T = 10 msf = 300 Hz
c3 =
3.Laplace dönüşümleriOrta
t (s)f(t)t = 0,3f(0,3) = ?

F(s) = 10/(s(s + 2)(s + 3)) için f(t)’yi kısmi kesirlerle bulun ve f(0,3) değerini hesaplayın.

F(s) = 10/(s(s + 2)(s + 3))t = 0,3 s
f(0.3) =
4.Laplace dönüşümleriZor
t (s)y(t)t = 0,6y(0,6) = ?

Bir sistem y″ + 7y′ + 10y = 10·u(t) denklemine uyuyor. Dinlenme durumunda başlar (y(0) = 0, y′(0) = 0) ve giriş, t ≥ 0 için u(t) = 2 basamağıdır. Çıkış y(0,6) değerini Laplace dönüşümüyle bulun.

y″ + 7y′ + 10y = 10·u(t)u(t) = 2y(0) = 0, y′(0) = 0t = 0,6 s
y(0.6) =
5.Basamak yanıtıOrta
t (s)y(t)1

Bir sistemin transfer fonksiyonu G(s) = 86/(s² + 7s + 86)’dır ve birim basamak girişi alıyor. Doğal frekansı ωn rad/s cinsinden bulun.

G(s) = 86/(s² + 7s + 86)
ωn = rad/s
6.Basamak yanıtıZor
+−24 VR = 14 ΩL = 10 mHC = 2 µFvC​

R = 14 Ω, L = 10 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. İlk gerilim tepesinin zamanını tp ms cinsinden bulun.

R = 14 ΩL = 10 mHC = 2 µFV = 24 V
tp = ms
7.Bode diyagramları ve paylarOrta
|H| (dB)0,1110100−40−2002040ω (rad/s)ω = 8

G(s) = 384/((s + 4)(s + 6)) fonksiyonunun ω = 8 rad/s’deki tam |G(jω)| genliğini dB cinsinden bulun.

G(s) = 384/((s + 4)(s + 6))ω = 8 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) = 13,5/(s(s + 5))’dır. |L(jω)| = 1 olduğu kazanç kesişim frekansını ωc bulun.

L(s) = 13,5/(s(s + 5))
ωc = rad/s

3Çözeltiler

1.Evrişim ve LTI sistemler

Cevap: y(4.5) = 10

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 ∈ [1,5, 2] → uzunluk 0,5 s

İntegral

y(4,5) = 4·5·0,5 = 10

Cevap

y(4,5) = 10

y(t) bir yamuktur: 0’dan yükselir, 40’da kalır ve t = 5 s anında 0’a geri iner.

2.Evrişim ve LTI sistemler

Cevap: c3 = 0,2702

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.

Harmonik numarası

f₀ = 1/T = 100 Hz → k = 3

Genlik

c3 = 8·3/(π²·3²) = 0,2702

Cevap

c3 = 0,2702
3.Laplace dönüşümleri

Cevap: f(0.3) = 0,2778

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).

Kısmi kesirler

F(s) = A/s + B/(s + 2) + C/(s + 3)
A = 10/(2·3) = 1,667
B = 10/((−2)·1) = −5
C = 10/((−3)·(−1)) = 3,333

Ters dönüşüm

f(t) = 1,667 − 5·e−2t + 3,333·e−3t

Hesaplayın

f(0,3) = 1,667 − 5·e−2·0,3 + 3,333·e−3·0,3 = 0,2778

Cevap

f(0,3) = 0,2778
4.Laplace dönüşümleri

Cevap: y(0.6) = 1,062

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

Y(s) = 20/(s(s + 2)(s + 5))

Kısmi kesirler

A = 20/(2·5) = 2
B = 20/((−2)·3) = −3,333
C = 20/((−5)·(−3)) = 1,333

Çıkarılan

y(t) = 2 − 3,333·e−2t + 1,333·e−5t
y(0,6) = 1,062

Cevap

y(0,6) = 1,062
5.Basamak yanıtı

Cevap: ωn = 9,274 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).

Standart biçimle karşılaştırın

Payda s² + 2ζωₙs + ωₙ² ile eşleşmelidir.

ωₙ² = 86 → ωₙ = 9,274 rad/s
2ζωₙ = 7 → ζ = 7/(2·9,274) = 0,3774

Sonuç

ωₙ = 9,274 rad/s

Cevap

ωn = 9,274 rad/s
6.Basamak yanıtı

Cevap: tp = 0,4465 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/√(0,01·2 × 10⁻⁶) = 7071 rad/s
ζ = (R/2)·√(C/L) = (14/2)·√(2 × 10⁻⁶/0,01) = 0,09899

Sonuç

ωd = 7036 rad/s
tp = π/ωd = 0,4465 ms

Cevap

tp = 0,4465 ms
7.Bode diyagramları ve paylar

Cevap: |G(jω)| = 12,66 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(j8)| = 384/(√(8² + 4²)·√(8² + 6²)) = 384/(8,944·10) = 4,293

Sonuç

20·log₁₀(4,293) = 12,66 dB

Cevap

|G(jω)| = 12,66 dB
8.Bode diyagramları ve paylar

Cevap: ωc = 2,429 rad/s

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 + 25ω² − 182,3 = 0
ω² = (−25 + √(625 + 4·182,3))/2 = 5,898
ωc = 2,429 rad/s

Cevap

ωc = 2,429 rad/s

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