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Difference between revisions of "Aufgaben:Exercise 1.2Z: Measurement of the Frequency Response"

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{{quiz-Header|Buchseite=Lineare zeitinvariante Systeme/Systembeschreibung im Frequenzbereich}}
+
{{quiz-Header|Buchseite=Linear_and_Time_Invariant_Systems/System_Description_in_Frequency_Domain}}
  
==Z1.2 Messung von ''H''(''f'')==
 
[[File:P_ID788__LZI_Z_1_2.png |right|Gemessene Signalamplituden und Phasen bei Filter B]]
 
Zur messtechnischen Bestimmung des Filterfrequenzgangs wird ein sinusförmiges Eingangssignal mit der Amplitude 2 V und vorgegebener Frequenz f0 angelegt. Das Ausgangssignal y(t) bzw. dessen Spektrum Y(f) werden dann nach Betrag und Phase ermittelt.
 
  
Das Betragsspektrum am Ausgang von Filter '''A''' lautet mit der Frequenz $f_0 = 1 \,\text{kHz}$:  
+
[[File:EN_LZI_Z_1_2.png|right|Measured signal amplitudes <br>and phases for filter&nbsp; B|frame]]
$$|Y_{\rm A} (f)| = 1.6\hspace{0.05cm}{\rm V} \cdot {\rm \delta } (f
+
For the metrological determination of the filter frequency response a sinusoidal input signal with an amplitude of&nbsp; 2V&nbsp; and given frequency&nbsp; f0&nbsp; is applied.&nbsp; The output signal&nbsp; y(t)&nbsp; or its spectrum&nbsp; Y(f)&nbsp; are then determined according to magnitude and phase.
 +
 
 +
*The magnitude spectrum at the output of filter&nbsp; $\rm A$&nbsp; with frequency&nbsp; f0=1 kHz&nbsp; is:  
 +
:$$|Y_{\rm A} (f)| = 1.6\hspace{0.05cm}{\rm V} \cdot {\rm \delta } (f
 
\pm f_0) + 0.4\hspace{0.05cm}{\rm V} \cdot {\rm \delta }  (f \pm 3 f_0) .$$
 
\pm f_0) + 0.4\hspace{0.05cm}{\rm V} \cdot {\rm \delta }  (f \pm 3 f_0) .$$
Bei einem anderen Filter '''B''' ist das Ausgangssignal dagegen stets eine harmonische Schwingung mit der (einzigen) Frequenz f0. Bei den in der Tabelle angegebenen Frequenzen f0 werden die Amplituden Ay(f0) und die Phasen φ_y(f_0) gemessen. Hierbei gilt:  
+
*For another filter&nbsp; $\rm B$&nbsp; the output signal is always a harmonic oscillation with the (single) frequency&nbsp; f_0.&nbsp; For the frequencies&nbsp; f_0&nbsp; given in the table the amplitudes&nbsp; A_y(f_0)&nbsp; and the phases&nbsp; φ_y(f_0)&nbsp; are measured.&nbsp; Here, the following holds:  
$$Y_{\rm B} (f) = \frac{A_y}{2} \cdot {\rm e}^{ {\rm j} \varphi_y}
+
:$$Y_{\rm B} (f) = {A_y}/{2} \cdot {\rm e}^{ {\rm j} \varphi_y}
\cdot {\rm \delta } (f + f_0) +  \frac{A_y}{2} \cdot {\rm e}^{
+
\cdot {\rm \delta } (f + f_0) +  {A_y}/{2} \cdot {\rm e}^{
 
-{\rm j} \varphi_y} \cdot {\rm \delta } (f - f_0).$$
 
-{\rm j} \varphi_y} \cdot {\rm \delta } (f - f_0).$$
Das Filter B soll in der Aufgabe in der Form
 
$$H_{\rm B}(f) =  {\rm e}^{-a_{\rm B}(f)}\cdot {\rm e}^{-{\rm j}
 
\hspace{0.05cm} \cdot \hspace{0.05cm} b_{\rm B}(f)}$$
 
  
dargestellt werden; a_{\rm B}(f) wird als ''Dämpfungsverlauf'' und $b_{\rm B}(f)$ als ''Phasenverlauf'' bezeichnet.  
+
In the exercise, filter&nbsp; $\rm B &nbsp;should be given in the form:$H_{\rm B}(f) =  {\rm e}^{-a_{\rm B}(f)}\cdot {\rm e}^{-{\rm j}
 +
\hspace{0.05cm} \cdot \hspace{0.05cm} b_{\rm B}(f)}.$$
 +
 
 +
Here,
 +
*$a_{\rm B}(f_0)$&nbsp; denotes the damping curve, and
 +
*$b_{\rm B}(f_0)$&nbsp; the phase response.  
 +
 
 +
 
 +
 
 +
 
 +
 
  
''Hinweise:''  
+
''Please note:''  
*Die Aufgabe gehört zum  Kapitel [[Lineare_zeitinvariante_Systeme/Systembeschreibung_im_Frequenzbereich | Systembeschreibung im Frequenzbereich]].
+
*The task belongs to the chapter&nbsp; [[Linear_and_Time_Invariant_Systems/System_Description_in_Frequency_Domain | System Description in Frequency Domain]].
*Sollte die Eingabe des Zahlenwertes &bdquo;0&rdquo; erforderlich sein, so geben Sie bitte &bdquo;0.&rdquo; ein.
+
  
  
===Fragebogen===
+
===Questions===
  
 
<quiz display=simple>
 
<quiz display=simple>
{Welche der Aussagen sind hinsichtlich des Filters '''A''' zutreffend?  
+
{Which of the statements are true regarding filter&nbsp; $\rm A$&nbsp;?  
 
|type="[]"}
 
|type="[]"}
- Es gilt $|H(f)| =$ 0.8.
+
- The following holds: &nbsp; $|H(f)| = 0.8$.
+ Das Filter '''A''' stellt kein LZI–System dar.  
+
+ Filter&nbsp; $\rm A$&nbsp; does not represent an LTI system.  
+ Die Angabe eines Frequenzgangs ist nicht möglich.  
+
+ The specification of a frequency response is not possible.  
  
  
  
{Welche der Aussagen sind hinsichtlich des Filters '''B''' zutreffend?  
+
{Which of the statements are true regarding filter&nbsp; $\rm B$&nbsp;?  
|type="[]"}
+
|type="()"}
- Filter '''B''' ist ein Tiefpass.  
+
- Filter&nbsp; $\rm B$&nbsp; is a low-pass filter.  
- Filter '''B''' ist ein Hochpass.  
+
- Filter&nbsp; $\rm B$&nbsp; is a high-pass filter.  
+ Filter '''B''' ist ein Bandpass.  
+
+ Filter&nbsp; $\rm B$&nbsp; is a band-pass filter.  
- Filter '''B''' ist eine Bandsperre.  
+
- Filter&nbsp; $\rm B$&nbsp; is a band-stop filter.  
  
  
  
{Ermitteln Sie den Dämpfungswert und die Phase für $f_0 = \,\text{3 kHz}$.  
+
{Determine the damping and the phase value for filter&nbsp; \rm B&nbsp; and&nbsp; $f_0 = 3 \ \text{kHz}$.  
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
a_{\rm B}(f_0 = \: \rm 3 \: kHz) \ = { 0.693 5%  } &nbsp;\text{Np}
+
$a_{\rm B}(f_0 = \: \rm 3 \: kHz) \ = \ { 0.693 5%  } &nbsp;\text{Np}$
b_{\rm B}(f_0 = \: \rm 3 \: kHz) \ = { 0. } &nbsp;$\text{Grad}$
+
$b_{\rm B}(f_0 = \: \rm 3 \: kHz) \ =\ { 0. } &nbsp;\text{degree}$
  
  
  
{Welcher Dämpfungs– und Phasenwert ergibt sich für $f_0 = \,\text{2 kHz}$?
+
{What is the damping and phase value for&nbsp; $f_0 = 2 \ \text{kHz}$?
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
a_{\rm B}(f_0 = \: \rm 2 \: kHz) \ = { 0.916 5%  } &nbsp;\text{Np}
+
$a_{\rm B}(f_0 = \: \rm 2 \: kHz) \ = \ { 0.916 5%  } &nbsp;\text{Np}$
b_{\rm B}(f_0 = \: \rm 2 \: kHz) \ = { 20 2%  } &nbsp;$\text{Grad}$
+
$b_{\rm B}(f_0 = \: \rm 2 \: kHz) \ =\ { 20 2%  } &nbsp;\text{degree}$
  
  
Line 60: Line 67:
 
</quiz>
 
</quiz>
  
===Musterlösung===
+
===Solution===
 
{{ML-Kopf}}
 
{{ML-Kopf}}
'''1.''' Bei einem LZI–System gilt Y(f) = X(f) · H(f). Daher ist es nicht möglich, dass im Ausgangssignal ein Anteil mit 3 f_0 vorhanden ist, wenn ein solcher im Eingangssignal fehlt. Das heißt: Es liegt hier kein LZI–System vor und dementsprechend ist auch kein Frequenzgang angebbar. Richtig sind demnach die \rm \underline{Lösungsvorschläge \: 2 \: und \: 3}.  
+
'''(1)'''&nbsp; <u>Approaches 2 und 3</u> are correct:
 +
*For an LTI system, &nbsp; Y(f) = X(f) · H(f) holds.  
 +
*Therefore, it is not possible for a component with&nbsp; 3 f_0&nbsp; to be present in the output signal if such a one is missing in the input signal.  
 +
*This means: &nbsp; There is no LTI system on hand and accordingly no frequency response can be specified.  
 +
 
 +
 
  
 +
'''(2)'''&nbsp; <u>Approach 3</u> is correct:
 +
*Based on the given numerical values for&nbsp; A_y(f_0)&nbsp; filter&nbsp; \rm B&nbsp; can be assumed to be a <u>band-pass filter</u>.
  
'''2.''' Aufgrund der angegeben Zahlenwerte für A_y(f_0) kann von einem \rm \underline{Bandpass} ausgegangen werden.
 
  
  
'''3.''' Mit $A_x =$ 2 V und $φ_x =$ 90° (Sinusfunktion) erhält man für $f_0 = f_3 =$ 3 kHz:  
+
'''(3)'''&nbsp; With&nbsp; $A_x = 2 \text{ V}$&nbsp;  and&nbsp; $\varphi_x = 90^\circ$&nbsp;  (sine function)&nbsp; the following is obtained for&nbsp; $f_0 = f_3 =3 \text{ kHz}$:  
$$H_{\rm B} (f_3) = \frac{A_y}{A_x} \cdot {\rm e}^{ -{\rm j}
+
:$$H_{\rm B} (f_3) = \frac{A_y}{A_x} \cdot {\rm e}^{ -{\rm j}
 
(\varphi_x - \varphi_y)} =  \frac{1\hspace{0.05cm}{\rm
 
(\varphi_x - \varphi_y)} =  \frac{1\hspace{0.05cm}{\rm
 
V}}{2\hspace{0.05cm}{\rm V}} \cdot {\rm e}^{ -{\rm j} (90^{\circ} -
 
V}}{2\hspace{0.05cm}{\rm V}} \cdot {\rm e}^{ -{\rm j} (90^{\circ} -
 
90^{\circ})} = 0.5.$$
 
90^{\circ})} = 0.5.$$
Somit ergeben sich für $f_0 =$ 3 kHz die Werte a_{\rm B} \rm \underline{\: ≈ \: 0.693 \: Np} und $b_{\rm B} \rm \underline{\: = \: 0 \: (Grad)}$.  
+
Thus, for&nbsp; $f_0 = f_3 = 3 \text{ kHz}$&nbsp; the values
 +
*$a_{\rm B} (f_3)\rm \underline{\: ≈ \: 0.693 \: Np}$ and
 +
*$b_{\rm B}(f_3) \rm \underline{\: = \: 0 \: (degree)}$ are determined.  
  
  
'''4.''' In analoger Weise kann der Frequenzgang bei $f_0 = f_2 =$ 2 kHz ermittelt werden:  
+
'''(4)'''&nbsp; Analogously, the frequency response for&nbsp; $f_0 = f_2 =2 \text{ kHz}$&nbsp; can be determined:  
$$H_{\rm B} ( f_2)  =  \frac{0.8\hspace{0.05cm}{\rm
+
:$$H_{\rm B} ( f_2)  =  \frac{0.8\hspace{0.05cm}{\rm
 
V}}{2\hspace{0.05cm}{\rm V}} \cdot {\rm e}^{ -{\rm j} (90^{\circ} -
 
V}}{2\hspace{0.05cm}{\rm V}} \cdot {\rm e}^{ -{\rm j} (90^{\circ} -
 
70^{\circ})} = 0.4\cdot {\rm e}^{ -{\rm j} 20^{\circ}}.$$
 
70^{\circ})} = 0.4\cdot {\rm e}^{ -{\rm j} 20^{\circ}}.$$
Damit gilt für $f_0 = f_2 =$ 2 kHz: a_{\rm B}(f_2) \rm \underline{\: ≈ \: 0.916 \: Np} und b_{\rm B}(f_2) \rm \underline{\: = \: 20°}.  
+
Hence, for&nbsp; $f_0 = f_2 = 2 \ \text{ kHz}$:  
Bei $f =$ –2 kHz gilt der gleiche Dämpfungswert. Die Phase hat jedoch das umgekehrte Vorzeichen. Also ist b_{\rm B}(–f_2) = –20°.
+
*a_{\rm B}(f_2) \rm \underline{\: ≈ \: 0.916 \: Np},
 +
* b_{\rm B}(f_2) \rm \underline{\: = \: 20°}.  
 +
 
 +
 
 +
For&nbsp; $f_0 = -f_2 =-\hspace{-0.01cm}2  \text{ kHz}$&nbsp; the same damping value applies. However, the phase has the opposite sign. So, &nbsp; $b_{\rm B}(–f_2) = \ –\hspace{-0.01cm}20^{\circ}.$  
  
 
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[[Category:Aufgaben zu Lineare zeitinvariante Systeme|^1.1 Systembeschreibung im Frequenzbereich^]]
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[[Category:Linear and Time-Invariant Systems: Exercises|^1.1 System Description in Frequency Domain^]]

Latest revision as of 15:30, 7 October 2021


Measured signal amplitudes
and phases for filter  \rm B

For the metrological determination of the filter frequency response a sinusoidal input signal with an amplitude of  2 \hspace{0.05cm} \text{V}  and given frequency  f_0  is applied.  The output signal  y(t)  or its spectrum  Y(f)  are then determined according to magnitude and phase.

  • The magnitude spectrum at the output of filter  \rm A  with frequency  f_0 = 1 \ \text{kHz}  is:
|Y_{\rm A} (f)| = 1.6\hspace{0.05cm}{\rm V} \cdot {\rm \delta } (f \pm f_0) + 0.4\hspace{0.05cm}{\rm V} \cdot {\rm \delta } (f \pm 3 f_0) .
  • For another filter  \rm B  the output signal is always a harmonic oscillation with the (single) frequency  f_0.  For the frequencies  f_0  given in the table the amplitudes  A_y(f_0)  and the phases  φ_y(f_0)  are measured.  Here, the following holds:
Y_{\rm B} (f) = {A_y}/{2} \cdot {\rm e}^{ {\rm j} \varphi_y} \cdot {\rm \delta } (f + f_0) + {A_y}/{2} \cdot {\rm e}^{ -{\rm j} \varphi_y} \cdot {\rm \delta } (f - f_0).

In the exercise, filter  \rm B  should be given in the form:H_{\rm B}(f) = {\rm e}^{-a_{\rm B}(f)}\cdot {\rm e}^{-{\rm j} \hspace{0.05cm} \cdot \hspace{0.05cm} b_{\rm B}(f)}.

Here,

  • a_{\rm B}(f_0)  denotes the damping curve, and
  • b_{\rm B}(f_0)  the phase response.




Please note:


Questions

1

Which of the statements are true regarding filter  \rm A ?

The following holds:   |H(f)| = 0.8.
Filter  \rm A  does not represent an LTI system.
The specification of a frequency response is not possible.

2

Which of the statements are true regarding filter  \rm B ?

Filter  \rm B  is a low-pass filter.
Filter  \rm B  is a high-pass filter.
Filter  \rm B  is a band-pass filter.
Filter  \rm B  is a band-stop filter.

3

Determine the damping and the phase value for filter  \rm B  and  f_0 = 3 \ \text{kHz}.

a_{\rm B}(f_0 = \: \rm 3 \: kHz) \ = \

 \text{Np}
b_{\rm B}(f_0 = \: \rm 3 \: kHz) \ =\

 \text{degree}

4

What is the damping and phase value for  f_0 = 2 \ \text{kHz}?

a_{\rm B}(f_0 = \: \rm 2 \: kHz) \ = \

 \text{Np}
b_{\rm B}(f_0 = \: \rm 2 \: kHz) \ =\

 \text{degree}


Solution

(1)  Approaches 2 und 3 are correct:

  • For an LTI system,   Y(f) = X(f) · H(f) holds.
  • Therefore, it is not possible for a component with  3 f_0  to be present in the output signal if such a one is missing in the input signal.
  • This means:   There is no LTI system on hand and accordingly no frequency response can be specified.


(2)  Approach 3 is correct:

  • Based on the given numerical values for  A_y(f_0)  filter  \rm B  can be assumed to be a band-pass filter.


(3)  With  A_x = 2 \text{ V}  and  \varphi_x = 90^\circ  (sine function)  the following is obtained for  f_0 = f_3 =3 \text{ kHz}:

H_{\rm B} (f_3) = \frac{A_y}{A_x} \cdot {\rm e}^{ -{\rm j} (\varphi_x - \varphi_y)} = \frac{1\hspace{0.05cm}{\rm V}}{2\hspace{0.05cm}{\rm V}} \cdot {\rm e}^{ -{\rm j} (90^{\circ} - 90^{\circ})} = 0.5.

Thus, for  f_0 = f_3 = 3 \text{ kHz}  the values

  • a_{\rm B} (f_3)\rm \underline{\: ≈ \: 0.693 \: Np} and
  • b_{\rm B}(f_3) \rm \underline{\: = \: 0 \: (degree)} are determined.


(4)  Analogously, the frequency response for  f_0 = f_2 =2 \text{ kHz}  can be determined:

H_{\rm B} ( f_2) = \frac{0.8\hspace{0.05cm}{\rm V}}{2\hspace{0.05cm}{\rm V}} \cdot {\rm e}^{ -{\rm j} (90^{\circ} - 70^{\circ})} = 0.4\cdot {\rm e}^{ -{\rm j} 20^{\circ}}.

Hence, for  f_0 = f_2 = 2 \ \text{ kHz}:

  • a_{\rm B}(f_2) \rm \underline{\: ≈ \: 0.916 \: Np},
  • b_{\rm B}(f_2) \rm \underline{\: = \: 20°}.


For  f_0 = -f_2 =-\hspace{-0.01cm}2 \text{ kHz}  the same damping value applies. However, the phase has the opposite sign. So,   b_{\rm B}(–f_2) = \ –\hspace{-0.01cm}20^{\circ}.