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)t10h(t)t0,21

Bir sistemin darbe yanıtı h(t) = e−5tu(t)’dir. Giriş x(t) = 10·u(t) basamağıdır. t = 0,1 s anında çıkışı (y(0,1)) bulun.

h(t) = e−5tu(t)x(t) = 10·u(t)t = 0,1 s
y(0.1) =
2.Evrişim ve LTI sistemlerZor
5cos(30t)h(t) = 5e−20t​u(t)y(t)

x(t) = 5·cos(30t) girişi, h(t) = 5·e−20tu(t) olan bir sisteme uygulanıyor. Kalıcı durum çıkışının genliğini (Ym) bulun.

h(t) = 5e−20tu(t)x(t) = 5cos(30t)
Ym =
3.Laplace dönüşümleriOrta
ReIm−1−2−3−4−5−6−71

F(s) = (3s + 20)/(s² + 2s + 2) için f(t)’yi tam kareye tamamlayarak bulun ve f(0,4) değerini hesaplayın.

F(s) = (3s + 20)/(s² + 2s + 2)t = 0,4 s
f(0.4) =
4.Laplace dönüşümleriZor
t (s)y(t)t = 0,1y(0,1) = ?

y″ + 7y′ + 12y = 0 denklemini y(0) = 2 ve y′(0) = −1 ile Laplace dönüşümü kullanarak çözün ve y(0,1) değerini bulun.

y″ + 7y′ + 12y = 0y(0) = 2y′(0) = −1t = 0,1 s
y(0.1) =
5.Basamak yanıtıOrta
t (s)y(t)1?

Bir sistemin transfer fonksiyonu G(s) = 20/(s² + 6s + 20)’dır ve birim basamak girişi alıyor. Basamak yanıtının yüzde aşımını %OS bulun.

G(s) = 20/(s² + 6s + 20)
%OS = %
6.Basamak yanıtıZor
t (s)y(t)15 %

Sıfırı olmayan ikinci dereceden bir sistemin basamak yanıtı %5 aşım yapmalıdır. Sönüm oranını ζ bulun.

%OS = 5 %
ζ =
7.Bode diyagramları ve paylarOrta
vin​C = 100 nFR = 47 kΩvout​

Gösterilen RC yüksek geçiren filtre için R = 47 kΩ, C = 100 nF geçerlidir. 8,5 Hz değerinde sinüsoidal bir giriş uygulanır. vout’un vin’e göre φ faz kaymasını derece cinsinden bulun.

R = 47 kΩC = 100 nFf = 8,5 Hz
φ = °
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) = 15,2/(s(s + 4))’dır. Faz payını PM derece cinsinden bulun.

L(s) = 15,2/(s(s + 4))
PM = °

3Çözeltiler

1.Evrişim ve LTI sistemler

Cevap: y(0.1) = 0,7869

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).

Basamakla evrişim

y(t) = 10·∫₀ᵗ e−5τ dτ = (10/5)·(1 − e−5t)

Hesaplayın

y(0,1) = 2·(1 − e−0,5) = 0,7869

Cevap

y(0,1) = 0,7869
2.Evrişim ve LTI sistemler

Cevap: Ym = 0,6934

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) = 5/(20 + jω)

Giriş frekansındaki kazanç

|H(j30)| = 5/√(20² + 30²) = 0,1387
Ym = 5·0,1387 = 0,6934

Cevap

Ym = 0,6934
3.Laplace dönüşümleri

Cevap: f(0.4) = 6,29

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).

Tam kareye tamamlayın

s² + 2s + 2 = (s + 1)² + 1 = (s + 1)² + 1²

Payı eşleştirin

F(s) = 3·(s + 1)/((s + 1)² + 1²) + (17/1)·1/((s + 1)² + 1²)

Ters dönüşüm

f(t) = e−t·(3·cos 1t + 17·sin 1t)
f(0,4) = e−0,4·(3·cos(1·0,4) + 17·sin(1·0,4)) = 6,29

Cevap

f(0,4) = 6,29
4.Laplace dönüşümleri

Cevap: y(0.1) = 1,834

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 − 2s − (−1) + 7(sY − 2) + 12Y = 0
Y(s) = (2s + 13)/((s + 3)(s + 4))

Kısmi kesirler

A = 7/1 = 7
B = 5/(−1) = −5

Sonuç

y(t) = 7·e−3t − 5·e−4t
y(0,1) = 1,834

Cevap

y(0,1) = 1,834

Kontrol: y(0) = A + B = 2.

5.Basamak yanıtı

Cevap: %OS = 5,833 %

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 = 6 → ζ = 6/(2·4,472) = 0,6708

Sonuç

%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 100·e−2,842 = 5,833 %

Cevap

%OS = 5,833 %
6.Basamak yanıtı

Cevap: ζ = 0,6901

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(0,05)/√(π² + ln²(0,05)) = 2,996/√(9,87 + 8,974) = 0,6901

Cevap

ζ = 0,6901
7.Bode diyagramları ve paylar

Cevap: φ = 75,91 °

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 = 1/(RC) = 1/(47000·1 × 10⁻⁷) = 212,8 rad/s
fc = 33,86 Hz → f/fc = 8,5/33,86 = 0,251

Faz

φ = 90° − atan(0,251) = 75,91°

Cevap

φ = 75,91°
8.Bode diyagramları ve paylar

Cevap: PM = 52,86 °

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 − 231 = 0
ω² = (−16 + √(256 + 4·231))/2 = 9,177
ωc = 3,029 rad/s

Faz payı

∠L(jωc) = −90° − atan(3,029/4) = −127,1°
PM = 180° + ∠L = 52,86°

Cevap

PM = 52,86°

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