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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}}
  
[[File:P_ID788__LZI_Z_1_2.png |right|Gemessene Signalamplituden und Phasen bei Filter B (Aufgabe Z1.2)]]
 
Zur messtechnischen Bestimmung des Frequenzgangs von Filtern 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 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; $f_0 = 1 \ \text{kHz}$&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.  
 +
 
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 +
 
 +
 
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'''Hinweis:''' Diese Aufgabe bezieht sich auf den Theorieteil von [[Lineare_zeitinvariante_Systeme/Systembeschreibung_im_Frequenzbereich | Kapitel 1.1]].  
+
''Please note:''  
 +
*The task belongs to the chapter&nbsp; [[Linear_and_Time_Invariant_Systems/System_Description_in_Frequency_Domain | System Description in Frequency Domain]].
 +
  
  
===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 = 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%  } Np
+
$a_{\rm B}(f_0 = \: \rm 3 \: kHz) \ = \ $ { 0.693 5%  } &nbsp;$\text{Np}$
b_{\rm B}(f_0 = \: \rm 3 \: kHz) = { 0 } Grad
+
$b_{\rm B}(f_0 = \: \rm 3 \: kHz) \ =\ $ { 0. } &nbsp;\text{degree}
  
  
  
{Welcher Dämpfungs– und Phasenwert ergibt sich für f_0 = 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%  } 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%  } Grad
+
$b_{\rm B}(f_0 = \: \rm 2 \: kHz) \ =\ $ { 20 2%  } &nbsp;\text{degree}
  
  
Line 57: Line 67:
 
</quiz>
 
</quiz>
  
===Musterlösung===
+
===Solution===
 
{{ML-Kopf}}
 
{{ML-Kopf}}
:'''a)''' 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>.
  
:'''b)''' Aufgrund der angegeben Zahlenwerte für A_y(f_0) kann von einem \rm \underline{Bandpass} ausgegangen werden.
 
  
  
:'''c)''' 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.  
  
  
:'''d)''' 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|^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}.