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)t14h(t)t1

x(t) = 4 (0 ≤ t < 1 s için, başka yerde sıfır) darbesi, h(t) = e−5tu(t) olan bir sisteme uygulanıyor. Darbe bittikten sonra, t = 1,5 s anında çıkışı (y(1,5)) bulun.

x(t) = 4, 0 ≤ t < 1 sh(t) = e−5tu(t)t = 1,5 s
y(1.5) =
2.Evrişim ve LTI sistemlerZor
10cos(1,5t)h(t) = 5e−2t​u(t)y(t)

x(t) = 10·cos(1,5t) girişi, h(t) = 5·e−2tu(t) olan bir sisteme uygulanıyor. Kalıcı durum çıkışının genliğini (Ym) bulun.

h(t) = 5e−2tu(t)x(t) = 10cos(1,5t)
Ym =
3.Laplace dönüşümleriOrta
ReIm−0,5−1−1,5−2−2,5−30,51

F(s) = (5s + 9)/(s² + 6s + 10) için f(t)’yi tam kareye tamamlayarak bulun ve f(0,25) değerini hesaplayın.

F(s) = (5s + 9)/(s² + 6s + 10)t = 0,25 s
f(0.25) =
4.Laplace dönüşümleriZor
t (s)y(t)t = 0,75y(0,75) = ?

Bir sistem y″ + 6y′ + 5y = 10·u(t) denklemine uyuyor; y(0) = 3 ve y′(0) = 0’dır. t = 0 anında u(t) = 1 basamak girişi uygulanır. y(0,75) değerini Laplace dönüşümüyle bulun.

y″ + 6y′ + 5y = 10·u(t)y(0) = 3y′(0) = 0u(t) = 1t = 0,75 s
y(0.75) =
5.Basamak yanıtıOrta
t (s)y(t)1tp​ = ?

Bir sistemin transfer fonksiyonu G(s) = 85/(s² + 7s + 85)’dır ve birim basamak girişi alıyor. Basamak yanıtının tepe zamanını tp bulun.

G(s) = 85/(s² + 7s + 85)
tp = s
6.Basamak yanıtıZor
t (s)y(t)150 %

Sıfırı olmayan ikinci dereceden bir sistemin basamak yanıtı %50 aşım yapmalıdır. Sönüm oranını ζ bulun.

%OS = 50 %
ζ =
7.Bode diyagramları ve paylarOrta
vin​R = 2,2 kΩC = 10 nFvout​

Gösterilen RC alçak geçiren filtre için R = 2,2 kΩ, C = 10 nF geçerlidir. 1,8 kHz değerinde sinüsoidal bir giriş uygulanır. vout’un vin’e göre φ faz kaymasını derece cinsinden bulun.

R = 2,2 kΩC = 10 nFf = 1,8 kHz
φ = °
8.Bode diyagramları ve paylarZor
|H| (dB)0,10,111101010010010001000−60−40−200204060ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−180−135−90−450ωc​ = ?

Birim geri beslemeli bir çevrimin açık çevrim transfer fonksiyonu L(s) = 156/(s(s + 4))’dır. |L(jω)| = 1 olduğu kazanç kesişim frekansını ωc bulun.

L(s) = 156/(s(s + 4))
ωc = rad/s

3Çözeltiler

1.Evrişim ve LTI sistemler

Cevap: y(1.5) = 0,06523

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).

Darbenin sonundaki çıkış

y(1) = (4/5)(1 − e−5) = 0,7946

Darbeden sonraki sönümlenme

y(1,5) = 0,7946·e−5·0,5 = 0,06523

Cevap

y(1,5) = 0,06523
2.Evrişim ve LTI sistemler

Cevap: Ym = 20

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/(2 + jω)

Giriş frekansındaki kazanç

|H(j1,5)| = 5/√(2² + 1,5²) = 2
Ym = 10·2 = 20

Cevap

Ym = 20
3.Laplace dönüşümleri

Cevap: f(0.25) = 1,587

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 + 6s + 10 = (s + 3)² + 1 = (s + 3)² + 1²

Payı eşleştirin

F(s) = 5·(s + 3)/((s + 3)² + 1²) + (−6/1)·1/((s + 3)² + 1²)

Ters dönüşüm

f(t) = e−3t·(5·cos 1t − 6·sin 1t)
f(0,25) = e−3·0,25·(5·cos(1·0,25) − 6·sin(1·0,25)) = 1,587

Cevap

f(0,25) = 1,587
4.Laplace dönüşümleri

Cevap: y(0.75) = 2,585

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 + 6s + 5)·Y(s) = 3s + 18 + 10/s
Y(s) = (3s² + 18s + 10)/(s(s + 1)(s + 5))

Kısmi kesirler

A = 10/(1·5) = 2
B = −5/((−1)·4) = 1,25
C = −5/((−5)·(−4)) = −0,25

Sonuç

y(t) = 2 + 1,25·e−t − 0,25·e−5t
y(0,75) = 2,585

Cevap

y(0,75) = 2,585

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

5.Basamak yanıtı

Cevap: tp = 0,3683 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 = 85 → ωₙ = 9,22 rad/s
2ζωₙ = 7 → ζ = 7/(2·9,22) = 0,3796

Sonuç

ωd = 9,22·√(1 − 0,3796²) = 8,529 rad/s → tp = π/ωd = 0,3683 s

Cevap

tp = 0,3683 s
6.Basamak yanıtı

Cevap: ζ = 0,2155

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

Cevap

ζ = 0,2155
7.Bode diyagramları ve paylar

Cevap: φ = −13,97 °

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/(2200·1 × 10⁻⁸) = 45455 rad/s
fc = 7234 Hz → f/fc = 1800/7234 = 0,2488

Faz

φ = − atan(0,2488) = −13,97°

Cevap

φ = −13,97°
8.Bode diyagramları ve paylar

Cevap: ωc = 12,17 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 + 16ω² − 24336 = 0
ω² = (−16 + √(256 + 4·24336))/2 = 148,2
ωc = 12,17 rad/s

Cevap

ωc = 12,17 rad/s

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