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)t0,251

Bir sistemin darbe yanıtı h(t) = e−4tu(t)’dir. Giriş x(t) = 10·u(t) basamağıdır. t = 0,05 s anında çıkışı (y(0,05)) bulun.

h(t) = e−4tu(t)x(t) = 10·u(t)t = 0,05 s
y(0.05) =
2.Evrişim ve LTI sistemlerZor
u[n]3+y[n]−0,5·z⁻¹+

Bir sistem y[n] = −0,5·y[n − 1] + 3·x[n] denklemine uyar ve durgun başlar. Giriş x[n] = u[n] birim basamağıdır. y[5] değerini bulun.

y[n] = −0,5y[n − 1] + 3x[n]x[n] = u[n]
y[5] =
3.Laplace dönüşümleriOrta
t (s)f(t)t = 0,3f(0,3) = ?

F(s) = 60/(s(s + 3)(s + 5)) için f(t)’yi kısmi kesirlerle bulun ve f(0,3) değerini hesaplayın.

F(s) = 60/(s(s + 3)(s + 5))t = 0,3 s
f(0.3) =
4.Laplace dönüşümleriZor
t (s)y(t)t = 0,6y(0,6) = ?

y″ + 5y′ + 4y = 0 denklemini y(0) = 3 ve y′(0) = 7 ile Laplace dönüşümü kullanarak çözün ve y(0,6) değerini bulun.

y″ + 5y′ + 4y = 0y(0) = 3y′(0) = 7t = 0,6 s
y(0.6) =
5.Basamak yanıtıOrta
t (s)y(t)3tp​ = ?

Bir sistemin transfer fonksiyonu G(s) = 33/(s² + 3s + 11)’dır ve birim basamak girişi alıyor. Basamak yanıtının tepe zamanını tp bulun.

G(s) = 33/(s² + 3s + 11)
tp = s
6.Basamak yanıtıZor
t (s)y(t)1tp​ = 0,8 s30 %

Sıfırı olmayan ikinci dereceden bir sistemin basamak yanıtı %30 aşım gösteriyor ve ilk tepe t = 0,8 s anında oluşuyor. Doğal frekansı ωn bulun.

%OS = 30 %tp = 0,8 s
ωn = rad/s
7.Bode diyagramları ve paylarOrta
vin​R = 1000 ΩL = 47 mHvout​

Gösterilen RL yüksek geçiren filtre için R = 1000 Ω, L = 47 mH geçerlidir. 10 kHz değerinde sinüsoidal bir giriş uygulanır. dB cinsinden |H| = |vout/vin| kazancını bulun.

R = 1000 ΩL = 47 mHf = 10 kHz
|H| = dB
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) = 170/(s(s + 5))’dır. |L(jω)| = 1 olduğu kazanç kesişim frekansını ωc bulun.

L(s) = 170/(s(s + 5))
ωc = rad/s

3Çözeltiler

1.Evrişim ve LTI sistemler

Cevap: y(0.05) = 0,4532

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−4τ dτ = (10/4)·(1 − e−4t)

Hesaplayın

y(0,05) = 2,5·(1 − e−0,2) = 0,4532

Cevap

y(0,05) = 0,4532
2.Evrişim ve LTI sistemler

Cevap: y[5] = 1,969

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

y[0] = 3
y[1] = 1,5
y[2] = 2,25
y[3] = 1,875
y[4] = 2,063
y[5] = 1,969

Sonuç

y[5] = 3·(1 − (−0,5)6)/(1 − (−0,5)) = 1,969

Cevap

y[5] = 1,969
3.Laplace dönüşümleri

Cevap: f(0.3) = 1,273

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 + 3) + C/(s + 5)
A = 60/(3·5) = 4
B = 60/((−3)·2) = −10
C = 60/((−5)·(−2)) = 6

Ters dönüşüm

f(t) = 4 − 10·e−3t + 6·e−5t

Hesaplayın

f(0,3) = 4 − 10·e−3·0,3 + 6·e−5·0,3 = 1,273

Cevap

f(0,3) = 1,273
4.Laplace dönüşümleri

Cevap: y(0.6) = 3,173

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 − 7 + 5(sY − 3) + 4Y = 0
Y(s) = (3s + 22)/((s + 1)(s + 4))

Kısmi kesirler

A = 19/3 = 6,333
B = 10/(−3) = −3,333

Sonuç

y(t) = 6,333·e−t − 3,333·e−4t
y(0,6) = 3,173

Cevap

y(0,6) = 3,173

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

5.Basamak yanıtı

Cevap: tp = 1,062 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 = 11 → ωₙ = 3,317 rad/s
2ζωₙ = 3 → ζ = 3/(2·3,317) = 0,4523

Sonuç

ωd = 3,317·√(1 − 0,4523²) = 2,958 rad/s → tp = π/ωd = 1,062 s

Cevap

tp = 1,062 s
6.Basamak yanıtı

Cevap: ωn = 4,205 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(0,3)/√(π² + ln²(0,3)) = 1,204/√(9,87 + 1,45) = 0,3579

Doğal frekans

ωd = π/tp = π/0,8 = 3,927 rad/s
ωₙ = ωd/√(1 − ζ²) = 3,927/0,9338 = 4,205 rad/s

Cevap

ωn = 4,205 rad/s
7.Bode diyagramları ve paylar

Cevap: |H| = −0,4715 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.

Köşe frekansı

ωc = R/L = 1000/0,047 = 21277 rad/s
fc = 3386 Hz → f/fc = 10000/3386 = 2,953

Kazanç

|H| = 2,953/√(1 + 2,953²) = 0,9472
20·log₁₀(0,9472) = −0,4715 dB

Cevap

|H| = −0,4715 dB
8.Bode diyagramları ve paylar

Cevap: ωc = 12,57 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 − 28900 = 0
ω² = (−25 + √(625 + 4·28900))/2 = 158
ωc = 12,57 rad/s

Cevap

ωc = 12,57 rad/s

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