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)t12

x(t) = 4 (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) = 4, 0 ≤ t < 1 sh(t) = 2, 0 ≤ t < 1 s
Ay =
2.Evrişim ve LTI sistemlerZor
x(t)t (ms)25105

Bir darbe katarının yüksekliği 5, darbe genişliği 2 ms ve periyodu 5 ms’dir. 600 Hz’deki 3. harmoniğin genliğini (c3) bulun.

A = 5τ = 2 msT = 5 ms
c3 =
3.Laplace dönüşümleriOrta
t (s)f(t)t = 0,6f(0,6) = ?

F(s) = 45/(s(s + 2)(s + 3)) için f(t)’yi kısmi kesirlerle bulun ve f(0,6) değerini hesaplayın.

F(s) = 45/(s(s + 2)(s + 3))t = 0,6 s
f(0.6) =
4.Laplace dönüşümleriZor
t (s)y(t)t = 0,5y(0,5) = ?

Bir sistem y″ + 7y′ + 6y = 12·u(t) denklemine uyuyor; y(0) = 5 ve y′(0) = 0’dır. t = 0 anında u(t) = 2 basamak girişi uygulanır. y(0,5) değerini Laplace dönüşümüyle bulun.

y″ + 7y′ + 6y = 12·u(t)y(0) = 5y′(0) = 0u(t) = 2t = 0,5 s
y(0.5) =
5.Basamak yanıtıOrta
t (s)y(t)3

Bir sistemin transfer fonksiyonu G(s) = 177/(s² + 12s + 59)’dır ve birim basamak girişi alıyor. Sönüm oranı ζ değerini bulun.

G(s) = 177/(s² + 12s + 59)
ζ =
6.Basamak yanıtıZor
R(s)+250s(s + 16)G(s)C(s)−

Birim negatif geri beslemeli bir çevrimde G(s) = 250/(s(s + 16)). ts ≈ 4/(ζωₙ) kullanarak kapalı çevrim basamak yanıtının %2 yerleşme süresini ts bulun.

G(s) = 250/(s(s + 16))
ts = s
7.Bode diyagramları ve paylarOrta
vin​L = 10 mHC = 4,7 µFR = 10 Ωvout​

Gösterilen seri RLC bant geçiren filtrede çıkış R = 10 Ω üzerinden alınır, L = 10 mH ve C = 4,7 µF ile. Kalite faktörünü Q bulun.

R = 10 ΩL = 10 mHC = 4,7 µF
Q =
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) = 132/(s(s + 4))’dır. Faz payını PM derece cinsinden bulun.

L(s) = 132/(s(s + 4))
PM = °

3Çözeltiler

1.Evrişim ve LTI sistemler

Cevap: Ay = 8

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 = 4·1 = 4
∫h dt = 2·1 = 2

Çıkışın alanı

Ay = 4·2 = 8

Cevap

Ay = 8
2.Evrişim ve LTI sistemler

Cevap: c3 = 0,6237

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.

Görev oranı

D = 2/5 = 0,4

Harmonik genliği

c3 = (2·5/(3π))·|sin(3π·0,4)| = 0,6237

Cevap

c3 = 0,6237
3.Laplace dönüşümleri

Cevap: f(0.6) = 3,203

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 = 45/(2·3) = 7,5
B = 45/((−2)·1) = −22,5
C = 45/((−3)·(−1)) = 15

Ters dönüşüm

f(t) = 7,5 − 22,5·e−2t + 15·e−3t

Hesaplayın

f(0,6) = 7,5 − 22,5·e−2·0,6 + 15·e−3·0,6 = 3,203

Cevap

f(0,6) = 3,203
4.Laplace dönüşümleri

Cevap: y(0.5) = 4,718

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 + 7s + 6)·Y(s) = 5s + 35 + 24/s
Y(s) = (5s² + 35s + 24)/(s(s + 1)(s + 6))

Kısmi kesirler

A = 24/(1·6) = 4
B = −6/((−1)·5) = 1,2
C = −6/((−6)·(−5)) = −0,2

Sonuç

y(t) = 4 + 1,2·e−t − 0,2·e−6t
y(0,5) = 4,718

Cevap

y(0,5) = 4,718

Kontrol: y(0) = A + B + C = 5.

5.Basamak yanıtı

Cevap: ζ = 0,7811

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 = 59 → ωₙ = 7,681 rad/s
2ζωₙ = 12 → ζ = 12/(2·7,681) = 0,7811

Sonuç

ζ = 0,7811

Cevap

ζ = 0,7811
6.Basamak yanıtı

Cevap: ts = 0,5 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).

Kapalı çevrim transfer fonksiyonu

T(s) = 250/(s² + 16s + 250): ωₙ = 15,81 rad/s, ζ = 0,506

Yerleşme süresi

ζωₙ = 16/2 = 8
ts ≈ 4/(ζωₙ) = 0,5 s

Cevap

ts = 0,5 s

Bu çevrimde K ne olursa olsun ζωₙ = a/2’dir: K’yı artırmak aşımı artırır ama yerleşme süresini kısaltmaz.

7.Bode diyagramları ve paylar

Cevap: Q = 4,613

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.

Rezonans frekansı

ω₀ = 1/√(LC) = 1/√(0,01·4,7 × 10⁻⁶) = 4613 rad/s
f₀ = ω₀/(2π) = 734,1 Hz

Kalite faktörü

BW = R/L = 10/0,01 = 1000 rad/s = 159,2 Hz
Q = ω₀/BW = 4613/1000 = 4,613

Cevap

Q = 4,613
8.Bode diyagramları ve paylar

Cevap: PM = 19,74 °

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 − 17424 = 0
ω² = (−16 + √(256 + 4·17424))/2 = 124,2
ωc = 11,15 rad/s

Faz payı

∠L(jωc) = −90° − atan(11,15/4) = −160,3°
PM = 180° + ∠L = 19,74°

Cevap

PM = 19,74°

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