Difference between revisions of "Applets:Period Duration of Periodic Signals"

From LNTwww
 
(15 intermediate revisions by 2 users not shown)
Line 1: Line 1:
Wir bieten hier zwei Applets zur gleichen Thematik mit unterschiedlichem Layout an:
+
{{LntAppletLinkEnDe|signalPeriod_en|signalPeriod}}
  
{{LntAppletLink|signalPeriod_en|Applet-Variante 1 in neuem Tab öffnen}}     {{LntAppletLink|signalPeriodS_en|Applet-Variante 2 in neuem Tab öffnen}}
 
  
==Programmbeschreibung==
+
==Applet Descripition==
 
<br>
 
<br>
Dieses Applet zeichnet den Verlauf und berechnet die Periodendauer $T_0$ der periodischen Funktion
+
This applet draws the course and calculates the period duration&nbsp; $T_0$&nbsp; of the periodic function
 
:$$x(t) = A_1\cdot \cos\left(2\pi f_1\cdot t- \varphi_1\right)+A_2\cdot \cos\left(2\pi f_2\cdot t- \varphi_2\right).$$
 
:$$x(t) = A_1\cdot \cos\left(2\pi f_1\cdot t- \varphi_1\right)+A_2\cdot \cos\left(2\pi f_2\cdot t- \varphi_2\right).$$
  
Bitte beachten Sie:  
+
Please note:  
*Die Phasen $\varphi_i$ sind hier im Bogenmaß einzusetzen. Umrechnung aus dem Eingabewert: &nbsp; $\varphi_i \text{[im Bogenmaß]} =\varphi_i \text{[in Grad]}/360 \cdot 2\pi$.
+
*The phases&nbsp; $\varphi_i$&nbsp; must be entered here in radians.&nbsp; Conversion from the input value: &nbsp;  
*Ausgegeben werden auch der Maximalwert $x_{\rm max}$ und ein Signalwert $x(t_*)$ zu einer vorgebbaren Zeit $t_*$.
+
:$$\varphi_i \text{[in radians]} =\varphi_i \text{[in degrees]}/360 \cdot 2\pi.$$
*Das aufzurufende Applet verwendet die englischen Begriffe im Gegensatz zu dieser deutschen Beschreibung.  
+
*The maximum value&nbsp; $x_{\rm max}$&nbsp; and a signal value&nbsp; $x(t_*)$&nbsp; at a given time&nbsp; $t_*$ are also output.
  
  
Die englische Beschreibung finden Sie unter [[Period Duration of Periodic Signals]] (derzeit noch nicht realisiert) .
+
==Theoretical background==
 +
<br>
 +
A periodic signal&nbsp; $x(t)$&nbsp; is present exactly when it is not constant and if for all arbitrary values of&nbsp; $t$&nbsp; and all integer values of&nbsp; $i$&nbsp; with an appropriate&nbsp; $T_{0}$&nbsp; applies: &nbsp;
 +
:$$x(t+i\cdot T_{0}) = x(t).$$
 +
*$T_0$&nbsp; is called the&nbsp; '''period duration''' &nbsp; and&nbsp; $f_0 = 1/T_0$&nbsp; the&nbsp; '''basic frequency'''.
  
==Theoretischer Hintergrund==
+
*For a harmonic oscillation&nbsp; $x_1(t) = A_1\cdot \cos\left(2\pi f_1\cdot t- \varphi_1\right)$&nbsp; applies&nbsp; $f_0 = f_1$&nbsp; and&nbsp; $T_0 = 1/f_1$,&nbsp; independent of the phase&nbsp; $\varphi_1$&nbsp; and the amplitude&nbsp; $A_1 \ne 0$.
<br>
 
*Ein ''periodisches Signal'' $x(t)$ liegt genau dann vor, wenn dieses nicht konstant ist und für alle beliebigen Werte von $t$ und alle ganzzahligen Werte von $i$ mit einem geeigneten $T_{0}$ gilt: &nbsp; $x(t+i\cdot T_{0}) = x(t)$. Man bezeichnet $T_0$ als die '''Periodendauer''' und  $f_0 = 1/T_0$ als die '''Grundfrequenz'''.
 
  
*Bei einer harmonischen Schwingung $x_1(t) = A_1\cdot \cos\left(2\pi f_1\cdot t- \varphi_1\right)$ gilt $f_0 = f_1$ und $T_0 = 1/f_1$, unabhängig von der Phase $\varphi_1$ und der Amplitude $A_1 \ne 0$.
 
  
 +
{{BlueBox|TEXT= 
 +
$\text{Calculation Rule: }$&nbsp; If the periodic signal&nbsp; $x(t)$&nbsp; consists of two parts&nbsp; $x_1(t)$&nbsp; and&nbsp; $x_2(t)$&nbsp; like in this applet, then applies  for the basic frequency and the period duration with&nbsp; $A_1 \ne 0$,&nbsp; $f_1 \ne 0$,&nbsp; $A_2 \ne 0$,&nbsp; $f_2 \ne 0$:
  
{{BlaueBox|TEXT= 
+
:$$f_0 = {\rm gcd}(f_1, \ f_2) \hspace{0.3cm} \Rightarrow \hspace{0.3cm}T_0 = 1/f_0.$$
$\text{Berechnungsvorschrift:}$&nbsp; Setzt sich das periodisches Signal $x(t)$ wie in diesem Applet aus zwei Anteilen $x_1(t)$ und  $x_2(t)$ zusammen, dann gilt mit $A_1 \ne 0$, $f_1 \ne 0$, $A_2 \ne 0$, $f_2 \ne 0$ für Grundfrequenz und Periodendauer:
 
  
:$$f_0 = {\rm ggT}(f_1, \ f_2) \hspace{0.3cm} \Rightarrow \hspace{0.3cm}T_0 = 1/f_0,$$
+
Here&nbsp; $\rm gcd$&nbsp; denotes the '''greatest common divisor'''.}}  
wobei &bdquo;ggT&rdquo; den ''größten gemeinsamen Teiler'' bezeichnet.}}
 
  
  
 
{{GraueBox|TEXT=   
 
{{GraueBox|TEXT=   
$\text{Beispiele:}$ &nbsp; Im Folgenden bezeichnen $f_0'$, $f_1'$ und $f_2'$ die auf $1\ \rm kHz$ normierten Signalfrequenzen:  
+
$\text{Examples:}$ &nbsp; In the following&nbsp; $f_0'$,&nbsp; $f_1'$&nbsp; and $f_2'$&nbsp;  denote signal frequencies normalized to $1\ \rm kHz$:  
  
'''(a)''' &nbsp; $f_1' = 1.0$, &nbsp; $f_2' = 3.0$ &nbsp; &rArr; &nbsp; $f_0' = {\rm ggt}(1.0, \ 3.0) = 1.0$ &nbsp; &rArr; &nbsp; $T_0 =  1.0\ \rm ms$;
+
'''(a)''' &nbsp; $f_1' = 1.0$, &nbsp; $f_2' = 3.0$ &nbsp; &rArr; &nbsp; $f_0' = {\rm gcd}(1.0, \ 3.0) = 1.0$ &nbsp; &rArr; &nbsp; $T_0 =  1.0\ \rm ms$;
  
'''(b)''' &nbsp; $f_1' = 1.0$, &nbsp; $f_2' = 3.5$ &nbsp; &rArr; &nbsp; $f_0' = {\rm ggt}(1.0, \ 3.5)= 0.5$ &nbsp; &rArr; &nbsp; $T_0 =  2.0\ \rm ms$;
+
'''(b)''' &nbsp; $f_1' = 1.0$, &nbsp; $f_2' = 3.5$ &nbsp; &rArr; &nbsp; $f_0' = {\rm gcd}(1.0, \ 3.5)= 0.5$ &nbsp; &rArr; &nbsp; $T_0 =  2.0\ \rm ms$;
  
'''(c)''' &nbsp; $f_1' = 1.0$, &nbsp; $f_2' = 2.5$ &nbsp; &rArr; &nbsp; $f_0' = {\rm ggt}(1.0, \ 2.5) = 0.5$ &nbsp; &rArr; &nbsp; $T_0 =  2.0\ \rm ms$;
+
'''(c)''' &nbsp; $f_1' = 1.0$, &nbsp; $f_2' = 2.5$ &nbsp; &rArr; &nbsp; $f_0' = {\rm gcd}(1.0, \ 2.5) = 0.5$ &nbsp; &rArr; &nbsp; $T_0 =  2.0\ \rm ms$;
  
'''(d)''' &nbsp; $f_1' = 0.9$, &nbsp; $f_2' = 2.5$ &nbsp; &rArr; &nbsp; $f_0' = {\rm ggt}(0.9, \ 2.5) = 0.1$ &nbsp; &rArr; &nbsp; $T_0 =  10.0 \ \rm ms$;
+
'''(d)''' &nbsp; $f_1' = 0.9$, &nbsp; $f_2' = 2.5$ &nbsp; &rArr; &nbsp; $f_0' = {\rm gcd}(0.9, \ 2.5) = 0.1$ &nbsp; &rArr; &nbsp; $T_0 =  10.0 \ \rm ms$;
  
'''(e)''' &nbsp; $f_2' = \sqrt{2} \cdot f_1' $ &nbsp; &rArr; &nbsp; $f_0' = {\rm ggt}(f_1', \ f_2') \to 0$ &nbsp; &rArr; &nbsp; $T_0 \to \infty$&nbsp; &rArr; &nbsp; Das Signal $x(t)$ ist nicht periodisch.}}
+
'''(e)''' &nbsp; $f_2' = \sqrt{2} \cdot f_1' $ &nbsp; &rArr; &nbsp; $f_0' = {\rm gcd}(f_1', \ f_2') \to 0$ &nbsp; &rArr; &nbsp; $T_0 \to \infty$&nbsp; &rArr; &nbsp; the signal&nbsp; $x(t)$&nbsp; is not periodic.}}
  
  
$\text{Anmerkung:}$&nbsp; Die Periodendauer könnte auch als ''kleinstes gemeinsame Vielfache'' (kgV) entsprechend $T_0 = {\rm kgV}(T_1, \ T_2)$ ermittelt werden:
+
$\text{Note:}$&nbsp; The period duration could also be determined as&nbsp; '''least common multiple'''&nbsp; $\rm (lcm)$&nbsp; according to&nbsp; $T_0 = {\rm lcm}(T_1, \ T_2)$:
  
'''(c)''' &nbsp; $T_1 = 1.0\ \rm ms$, &nbsp; $T_2 = 0.4\ \rm kHz$ &nbsp; &rArr; &nbsp; $T_0 = {\rm kgV}(1.0, \ 0.4) \ \rm ms =  2.0\ \rm ms$
+
:'''(c)''' &nbsp; $T_1 = 1.0\ \rm ms$, &nbsp; $T_2 = 0.4\ \rm kHz$ &nbsp; &rArr; &nbsp; $T_0 = {\rm lcm}(1.0, \ 0.4) \ \rm ms =  2.0\ \rm ms$
  
Bei allen anderen Parameterwerten würde es aber zu numerischen Problemen kommen, zum Beispiel
+
With all other parameter values, however, there would be numerical problems, for example
  
'''(a)''' &nbsp; $T_1 = 1.0\ \rm ms$ und $T_2 = 0.333\text{...} \ \rm ms$ besitzen aufgrund der begrenzten Darstellung reeller Zahlen kein kleinstes gemeinsames Vielfaches.  
+
:'''(a)''' &nbsp; $T_1 = 1.0\ \rm ms$&nbsp; and&nbsp; $T_2 = 0.333\text{...} \ \rm ms$&nbsp; have no&nbsp; "least common multiple"&nbsp; due to the limited representation of real numbers.
  
==Versuchsdurchführung==
+
==Exercises==
  
[[Datei:Aufgaben_2D-Gauss.png|right]]
+
* First select the number&nbsp; (<b>1</b>, <b>2</b>, ... )&nbsp; of the exercise.&nbsp; The number&nbsp; '''0'''&nbsp; corresponds to a&nbsp; "Reset":&nbsp; Same setting as at the program start.
*Wählen Sie zunächst die Nummer&nbsp; $(1,\ 2$, ... $)$&nbsp; der zu bearbeitenden Aufgabe.
+
* An exercise description is displayed.&nbsp; Parameter values are adjusted.&nbsp; Solution after pressing "Show solution".<br>
*Eine Aufgabenbeschreibung wird angezeigt.&nbsp; Parameterwerte sind angepasst.
+
* $A_1'$&nbsp; and&nbsp; $A_2'$&nbsp; denote the signal amplitudes normalized to&nbsp; $1\ \rm V$.&nbsp;   $f_0'$,&nbsp; $f_1'$&nbsp; and&nbsp; $f_2'$&nbsp; are the frequencies normalized to&nbsp; $1\ \rm kHz$.
*Lösung nach Drücken von &bdquo;Musterlösung&rdquo;.
+
<br clear=all>
*Die Nummer&nbsp; $0$&nbsp; entspricht &bdquo;Reset&rdquo;:&nbsp; Einstellung wie beim Programmstart.
 
*$A_1'$&nbsp; und&nbsp; $A_2'$&nbsp; bezeichnen hier die auf&nbsp; $1\ \rm V$&nbsp; normierten  Signalamplituden.
 
*$f_0'$,&nbsp; $f_1'$&nbsp; und&nbsp; $f_2'$&nbsp; sind die auf&nbsp; $1\ \rm kHz$&nbsp; normierten Frequenzen.
 
 
 
 
 
{{BlaueBox|TEXT=   
 
{{BlaueBox|TEXT=   
'''(1)''' &nbsp; Es gelte&nbsp; $A_1' = 1.0, \ A_2' = 0.5, \ f_1' = 2.0, \ f_2' = 2.5, \ \varphi_1 = 0^\circ \ \varphi_2 = 90^\circ\text{.}$<br>&nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp;  
+
'''(1)''' &nbsp; Consider&nbsp; $A_1' = 1.0, \ A_2' = 0.5, \ f_1' = 2.0, \ f_2' = 2.5, \ \varphi_1 = 0^\circ \ \varphi_2 = 90^\circ$.&nbsp; How large is the period&nbsp; $T_0$?}}  
Wie groß ist die Periodendauer&nbsp; $T_0$?}}  
 
  
$\hspace{1.0cm}\Rightarrow\hspace{0.3cm}$Die Periodendauer ist&nbsp; $T_0 = 2.0 \ \rm ms$&nbsp; wegen&nbsp; ${\rm ggt}(2.0, 2.5) = 0.5$.
+
$\hspace{1.0cm}\Rightarrow\hspace{0.3cm}$The period is&nbsp; $T_0 = 2.0 \ \rm ms$ &nbsp; due to &nbsp; $\rm{gcd}(2.0, 2.5) = 0.5$.
  
 
{{BlaueBox|TEXT=   
 
{{BlaueBox|TEXT=   
'''(2)''' &nbsp; Variieren Sie&nbsp; $\varphi_1$&nbsp; und&nbsp; $\varphi_2$&nbsp; im gesamten möglichen Bereich $\pm 180^\circ\text{.}$<br>
+
'''(2)''' &nbsp; Vary&nbsp; $\varphi_1$&nbsp; and&nbsp; $\varphi_2$&nbsp; in the whole possible range&nbsp;
&nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; Wie wirkt sich dies auf die Periodendauer&nbsp; $T_0$&nbsp; aus?}}
+
$\pm 180^\circ$.&nbsp; How does this affect the period&nbsp; $T_0$?
 +
}}
  
$\hspace{1.0cm}\Rightarrow\hspace{0.3cm}$Die Periodendauer&nbsp; $T_0 = 2.0 \ \rm ms$&nbsp; bleibt für alle&nbsp; $\varphi_1$&nbsp; und&nbsp; $\varphi_2$&nbsp; erhalten.
+
$\hspace{1.0cm}\Rightarrow\hspace{0.3cm}$The period&nbsp; $T_0 = 2.0 \ \rm ms$&nbsp; remains the same for all&nbsp; $\varphi_1$&nbsp; and&nbsp; $\varphi_2$.
  
 
{{BlaueBox|TEXT=   
 
{{BlaueBox|TEXT=   
'''(3)''' &nbsp; Wählen Sie die Voreinstellung  &nbsp; &rArr; &nbsp; &bdquo;Recall Parameters&rdquo;<br>
+
'''(3)''' &nbsp; Select the default setting &nbsp; &rArr; &nbsp; "Recall Parameters".&nbsp; Vary&nbsp; $A_1'$&nbsp; in the entire possible range&nbsp; $0 \le A_1' \le 1$.}}
&nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; Variieren Sie&nbsp; $A_1'$&nbsp; im gesamten möglichen Bereich&nbsp; $0 \le A_1' \le 1\text{:}$.}}
 
  
$\hspace{1.0cm}\Rightarrow\hspace{0.3cm}$Die Periodendauer&nbsp; $T_0 = 2.0 \ \rm ms$&nbsp; bleibt erhalten mit Ausnahme von&nbsp; $A_1' =0$.<br>$\hspace{1.0cm}\Rightarrow\hspace{0.3cm}$In letzerem Fall ist&nbsp; $T_0 = 0.4 \ \rm ms$.
+
$\hspace{1.0cm}\Rightarrow\hspace{0.3cm}$The period&nbsp; $T_0 = 2.0 \ \rm ms$&nbsp; remains the same with the exception of&nbsp; $A_1' =0$.&nbsp; In the latter case:&nbsp; $T_0 = 0.4 \ \rm ms$.
  
 
{{BlaueBox|TEXT=   
 
{{BlaueBox|TEXT=   
'''(4)''' &nbsp; Wählen Sie die Voreinstellung  &nbsp; &rArr; &nbsp; &bdquo;Recall Parameters&rdquo; und variieren Sie&nbsp; $f_2' $?<br>
+
'''(4)''' &nbsp; Choose the default setting &nbsp; &rArr; &nbsp; "Recall Parameters"&nbsp; and vary&nbsp; $f_2'$.&nbsp; Does this affect&nbsp; $T_0$?&nbsp; Which value is the result for&nbsp; $f_2' = 0.2$?}}
&nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; Hat dies Auswirkungen auf&nbsp; $T_0$?&nbsp; Welcher Wert ergibt sich für&nbsp; $f_2' = 0.2$.}}
 
  
$\hspace{1.0cm}\Rightarrow\hspace{0.3cm}$Die Periodendauer springt hin und her.<br>$\hspace{1.0cm}\Rightarrow\hspace{0.3cm}$Für&nbsp; $f_2' = 0.2$&nbsp; ergibt sich&nbsp; $T_0 = 5.0 \ \rm ms$ &nbsp; wegen &nbsp; ${\rm ggt}(2.0, 0.2) = 0.2$.
+
$\hspace{1.0cm}\Rightarrow\hspace{0.3cm}$The period jumps back and forth.&nbsp; For&nbsp; $f_2' = 0.2$&nbsp; the result is&nbsp; $T_0 = 5.0 \ \rm ms$&nbsp; because of $\ \rm{gcd} (2.0,0.2)=0.2$.
  
 
{{BlaueBox|TEXT=   
 
{{BlaueBox|TEXT=   
'''(5)''' &nbsp; Es gelte&nbsp; $A_1' = 1.0, \ A_2' = 0.5, \ f_1' = 0.2, \ f_2' = 2.5, \ \varphi_1 = 0^\circ \ \varphi_2 = 90^\circ\text{.}$<br>&nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp;  Wie groß ist die Periodendauer&nbsp; $T_0$?&nbsp; Speichern Sie diese Einstellung mit &bdquo;Store  Parameters&rdquo;.}}
+
'''(5)''' &nbsp; Consider&nbsp; $A_1' = 1.0, \ A_2' = 0.5, \ f_1' = 0.2, \ f_2' = 2.5, \ \varphi_1 = 0^\circ \ \varphi_2 = 90^\circ$.&nbsp; How large is the period&nbsp; $T_0$?&nbsp; Save this setting with&nbsp;  
 +
"Store  Parameters".
 +
}}
  
$\hspace{1.0cm}\Rightarrow\hspace{0.3cm}$Die Periodendauer ist&nbsp; $T_0 = 10.0 \ \rm ms$&nbsp; wegen&nbsp; ${\rm ggt}(0.2, 2.5) = 0.1$.
+
$\hspace{1.0cm}\Rightarrow\hspace{0.3cm}$The period is&nbsp; $T_0 = 10.0 \ \rm ms$&nbsp; &nbsp; due to&nbsp; $\rm{gcd}(0.2, 2.5) = 0.1$.
  
 
{{BlaueBox|TEXT=   
 
{{BlaueBox|TEXT=   
'''(6)''' &nbsp; Wählen Sie die letzte Einstellung  &nbsp; &rArr; &nbsp; &bdquo;Recall Parameters&rdquo; und ändern Sie&nbsp; $f_2' = 0.6$.<br>&nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp;  Speichern Sie diese Einstellung mit &bdquo;Store Parameters&rdquo;:}}
+
'''(6)''' &nbsp; Select the last setting &nbsp; &rArr; &nbsp;"Recall Parameters"&nbsp; and change&nbsp; $f_2' = 0.6$.&nbsp; Save this setting with&nbsp; "Store Parameters".
 +
}}
  
$\hspace{1.0cm}\Rightarrow\hspace{0.3cm}$Die Periodendauer ist&nbsp; $T_0 = 5.0 \ \rm ms$&nbsp; wegen&nbsp; ${\rm ggt}(0.2,0.6) = 0.2$.
+
$\hspace{1.0cm}\Rightarrow\hspace{0.3cm}$The period is&nbsp; $T_0 = 5.0 \ \rm ms$&nbsp; due to &nbsp;$\rm{gcd}(0.2,0.6) = 0.2$.
  
 
{{BlaueBox|TEXT=   
 
{{BlaueBox|TEXT=   
'''(7)''' &nbsp; Wie groß ist bei gleicher Einstellung der maximale Signalwert&nbsp; $x_{\rm max}\text{?}$}}
+
'''(7)''' &nbsp; How large is the maximum signal value&nbsp; $x_{\rm max}$&nbsp; with the same settings?`
 +
}}
 +
 
 +
$\hspace{1.0cm}\Rightarrow\hspace{0.3cm}$&nbsp;$x_{\rm max} =x(t_* + i \cdot T_0) = 1.38 \ {\rm V} < A_1 + A_2$&nbsp; with&nbsp; $t_* = 0.3 \ \rm ms$&nbsp; and&nbsp; $T_0 = 5.0 \ \rm ms$.
  
$\hspace{1.0cm}\Rightarrow\hspace{0.3cm}$&nbsp;$x_{\rm max} =x(t_* + i \cdot T_0) = 1.38 \ {\rm V} < A_1 + A_2$&nbsp; mit&nbsp; $t_* = 0.3 \ \rm ms$&nbsp; und&nbsp; $T_0 = 5.0 \ \rm ms$.
 
 
{{BlaueBox|TEXT=   
 
{{BlaueBox|TEXT=   
'''(8)''' &nbsp; Welcher Unterschied ergibt sich mit&nbsp; $\varphi_2 = 0^\circ \hspace{0.1cm}\Rightarrow\hspace{0.1cm}$ Summe zweier Cosinusschwingungen?}}
+
'''(8)''' &nbsp; What changes with&nbsp; $\varphi_2 = 0^\circ$ &nbsp; &rArr; &nbsp; Sum of two cosine waves?}}
  
 
$\hspace{1.0cm}\Rightarrow\hspace{0.3cm}$&nbsp;$t_* = 0$,&nbsp; $T_0 = 5.0 \ \rm ms$&nbsp; &rArr; &nbsp; $x_{\rm max}  =x(t_* + i \cdot T_0) = 1.5 \ {\rm V}=A_1 + A_2$.
 
$\hspace{1.0cm}\Rightarrow\hspace{0.3cm}$&nbsp;$t_* = 0$,&nbsp; $T_0 = 5.0 \ \rm ms$&nbsp; &rArr; &nbsp; $x_{\rm max}  =x(t_* + i \cdot T_0) = 1.5 \ {\rm V}=A_1 + A_2$.
  
 
{{BlaueBox|TEXT=   
 
{{BlaueBox|TEXT=   
'''(9)''' &nbsp; Nun gelte&nbsp; $\varphi_1 = \varphi_2 = 90^\circ \hspace{0.1cm}\Rightarrow\hspace{0.1cm}$ Summe zweier Sinusschwingungen:}}
+
'''(9)''' &nbsp; Now consider&nbsp; $\varphi_1 = \varphi_2 = 90^\circ$ &nbsp; &rArr; &nbsp; Sum of two sine waves?}}
  
$\hspace{1.0cm}\Rightarrow\hspace{0.3cm}$Der maximale Signalwert ist nun&nbsp; $x_{\rm max} = 1.07 \ {\rm V} < A_1 + A_2$.<br>$\hspace{1.0cm}\Rightarrow\hspace{0.3cm}$&nbsp;Dieser Wert ergibt sich mit&nbsp; $T_0 = 5.0 \ \rm ms$&nbsp; sowie&nbsp; $t_* = 0.6 \ \rm ms$&nbsp; bzw.&nbsp; $t_* = 1.9 \ \rm ms$.
+
$\hspace{1.0cm}\Rightarrow\hspace{0.3cm}$The maximum signal value is now&nbsp; $x_{\rm{max}} = 1.07 \ \rm V < A_1 + A_2$.&nbsp;  
 +
This value results from&nbsp; $T_0 = 5.0 \ \rm ms$&nbsp; and&nbsp; $t_* = 0.6 \ \rm ms$&nbsp; or&nbsp; $t_* = 1.9 \ \rm ms$.
  
  
  
==Zur Handhabung der Applet-Variante 1==
+
==Applet Manual==
[[Datei:Periodendauer_fertig_version1.png|left]]
+
[[File:Anleitung_Periodendauer.png|right|frame|Screenshot]]
&nbsp; &nbsp; '''(A)''' &nbsp; &nbsp; Parametereingabe per Slider
 
  
&nbsp; &nbsp; '''(B)''' &nbsp; &nbsp; Bereich der graphischen Darstellung
+
&nbsp; &nbsp; '''(A)''' &nbsp; &nbsp; Parameter input for harmonic oscillation 1
  
&nbsp; &nbsp; '''(C)''' &nbsp; &nbsp; Variationsmöglichkeit für die  graphische Darstellung
+
&nbsp; &nbsp; '''(B)''' &nbsp; &nbsp; Parameter input for harmonic oscillation 2 and time&nbsp; $t_*$.
  
&nbsp; &nbsp; '''(D)''' &nbsp; &nbsp; Abspeichern und Zurückholen von Parametersätzen
+
&nbsp; &nbsp; '''(C)''' &nbsp; &nbsp; Numerical output of the main result&nbsp; $T_0$; graphical illustration by red line
  
&nbsp; &nbsp; '''(E)''' &nbsp; &nbsp; Numerikausgabe des Hauptergebnisses $T_0$; graphische Verdeutlichung durch rote Linie
+
&nbsp; &nbsp; '''(D)''' &nbsp; &nbsp; Save parameter sets
  
&nbsp; &nbsp; '''(F)''' &nbsp; &nbsp; Ausgabe von $x_{\rm max}$ und der Signalwerte $x(t_*) = x(t_* + T_0)= x(t_* + 2T_0)$
+
&nbsp; &nbsp; '''(E)''' &nbsp; &nbsp; Retrieve parameter sets
  
&nbsp; &nbsp; '''(G)''' &nbsp; &nbsp; Darstellung der Signalwerte $x(t_*) = x(t_* + T_0)= x(t_* + 2T_0)$ durch grüne Punkte
+
&nbsp; &nbsp; '''(F)''' &nbsp; &nbsp; Output of&nbsp; $x_{\rm max}$&nbsp; and the signal values&nbsp; $x(t_*) = x(t_* + T_0)= x(t_* + 2T_0)$
  
&nbsp; &nbsp; '''(H)''' &nbsp; &nbsp; Einstellung der Zeit $t_*$ für die Signalwerte $x(t_*) = x(t_* + T_0)= x(t_* + 2T_0)$
+
&nbsp; &nbsp; '''(G)''' &nbsp; &nbsp; Graphic field for displaying the signals
  
'''Details zum obigen Punkt (C)'''
+
&nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; The signal values&nbsp; $x(t_*) = x(t_* + T_0)= x(t_* + 2T_0)$&nbsp; are marked by green dots
 
&nbsp; &nbsp; '''(*)''' &nbsp; Zoom&ndash;Funktionen &bdquo;$+$&rdquo; (Vergrößern), &bdquo;$-$&rdquo; (Verkleinern) und $\rm o$ (Zurücksetzen)
 
  
&nbsp; &nbsp; '''(*)''' &nbsp; Verschieben mit &bdquo;$\leftarrow$&rdquo; (Ausschnitt nach links, Ordinate nach rechts),  &bdquo;$\uparrow$&rdquo; &bdquo;$\downarrow$&rdquo; und &bdquo;$\rightarrow$&rdquo;
+
&nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; At the bottom of the graphic field you will find the following buttons:
  
'''Andere Möglichkeiten''':
+
&nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; '''(1)''' &nbsp; &nbsp; Zoom funktions:&nbsp; &nbsp; "$+$" (Zoom In),&nbsp; &nbsp;  "$-$" (Zoom Out),&nbsp; &nbsp; $\rm o$ (Reset)
  
&nbsp; &nbsp; '''(*)''' &nbsp; Gedrückte Shifttaste und Scrollen: Zoomen im Koordinatensystem,
+
&nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; '''(2)''' &nbsp; &nbsp; Move with&nbsp; &nbsp; "←"&nbsp; &nbsp; (Section to the left, ordinate to the right),&nbsp; &nbsp; "$\uparrow$"&nbsp; &nbsp; "$\downarrow$", &nbsp; &nbsp; "$\rightarrow$"
  
&nbsp; &nbsp; '''(*)''' &nbsp; Gedrückte Shifttaste und linke Maustaste: Verschieben des Koordinatensystems.
+
&nbsp; &nbsp; '''(H)''' &nbsp; &nbsp; Task selection according to the task number
<br clear = all>
+
<br><br>
 +
In all applets top right:&nbsp; &nbsp; Changeable graphical interface design &nbsp; &rArr; &nbsp; '''Theme''':
 +
* Dark: &nbsp; black background&nbsp; (recommended by the authors).
 +
* Bright: &nbsp; white background&nbsp; (recommended for beamers and printouts)
 +
* Deuteranopia: &nbsp; for users with pronounced green&ndash;visual impairment
 +
* Protanopia: &nbsp; for users with pronounced red&ndash;visual impairment
  
==Zur Handhabung der Applet-Variante 2==
 
[[Datei:Periodendauer_SB_version2.png|left]]
 
&nbsp; &nbsp; '''(A)''' &nbsp; &nbsp; Parametereingabe
 
  
&nbsp; &nbsp; '''(B)''' &nbsp; &nbsp; Bereich der graphischen Darstellung
 
  
&nbsp; &nbsp; '''(C)''' &nbsp; &nbsp; Größe der  graphischen Darstellung
 
  
&nbsp; &nbsp; '''(D)''' &nbsp; &nbsp; Speichern/Zurückholen von Eingaben
 
  
&nbsp; &nbsp; '''(E)''' &nbsp; &nbsp; Numerikausgabe des Hauptergebnisses $T_0$; <br>&nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; in Grafik: &nbsp; &nbsp; blaue Linien im Abstand $T_0$
+
==About the Authors==
  
&nbsp; &nbsp; '''(F)''' &nbsp; &nbsp; Eingabe $t_\star$, &nbsp; Ausgabe von $x(t_*)$ und $x_{\rm max}$
+
This interactive calculation tool was designed and implemented at the&nbsp; [https://www.ei.tum.de/en/lnt/home/ Institute for Communications Engineering]&nbsp; at the&nbsp; [https://www.tum.de/en Technical University of Munich].
<br clear = all>
+
*The first German version was created in 2004 by&nbsp; [[Biografien_und_Bibliografien/An_LNTwww_beteiligte_Studierende#Ji_Li_.28Bachelorarbeit_EI_2003.2C_Diplomarbeit_EI_2005.29|Ji Li]]&nbsp; as part of her diploma thesis with “FlashMX – Actionscript” (Supervisor: [[Biographies_and_Bibliographies/An_LNTwww_beteiligte_Mitarbeiter_und_Dozenten#Prof._Dr.-Ing._habil._G.C3.BCnter_S.C3.B6der_.28am_LNT_seit_1974.29|Günter Söder]]).
 +
*In 2017 the program was redesigned by [[Biografien_und_Bibliografien/An_LNTwww_beteiligte_Studierende#David_Jobst_.28Ingenieurspraxis_Math_2017.29|David Jobst]] (Bachelor thesis LB, Supervisor:&nbsp;  [[Biographies_and_Bibliographies/Beteiligte_der_Professur_Leitungsgebundene_%C3%9Cbertragungstechnik#Tasn.C3.A1d_Kernetzky.2C_M.Sc._.28bei_L.C3.9CT_seit_2014.29|Tasnád Kernetzky]] ) via "HTML5".
 +
* The English version was done in 2020 by&nbsp; [[Biographies_and_Bibliographies/An_LNTwww_beteiligte_Studierende#Carolin_Mirschina_.28Ingenieurspraxis_Math_2019.2C_danach_Werkstudentin.29|Carolin Mirschina]].&nbsp;
  
==Über die Autoren==
 
Dieses interaktive Berechnungstool  wurde am [http://www.lnt.ei.tum.de/startseite Lehrstuhl für Nachrichtentechnik] der [https://www.tum.de/ Technischen Universität München] konzipiert und realisiert.
 
*Die erste Version wurde 2004 von [[Biografien_und_Bibliografien/An_LNTwww_beteiligte_Studierende#Ji_Li_.28Bachelorarbeit_EI_2003.2C_Diplomarbeit_EI_2005.29|Ji Li]] im Rahmen ihrer Diplomarbeit mit &bdquo;FlashMX&ndash;Actionscript&rdquo; erstellt (Betreuer: [[Biografien_und_Bibliografien/An_LNTwww_beteiligte_Mitarbeiter_und_Dozenten#Prof._Dr.-Ing._habil._G.C3.BCnter_S.C3.B6der_.28am_LNT_seit_1974.29|Günter Söder]] ).
 
*2017 wurde dieses Programm  von [[Biografien_und_Bibliografien/An_LNTwww_beteiligte_Studierende#David_Jobst_.28Ingenieurspraxis_Math_2017.29|David Jobst]] im Rahmen seiner Ingenieurspraxis (Betreuer: [[Biografien_und_Bibliografien/Beteiligte_der_Professur_Leitungsgebundene_%C3%9Cbertragungstechnik#Tasn.C3.A1d_Kernetzky.2C_M.Sc._.28bei_L.C3.9CT_seit_2014.29|Tasnád Kernetzky]])  auf  &bdquo;HTML5&rdquo; umgesetzt und neu gestaltet &nbsp; &rArr; &nbsp; Applet-Variante 1.
 
*Parallel dazu erarbeitete [[Biografien_und_Bibliografien/An_LNTwww_beteiligte_Studierende#Bastian_Siebenwirth_.28Bachelorarbeit_LB_2017.29|Bastian Siebenwirth]] im Rahmen seiner Bachelorarbeit (Betreuer: [[Biografien_und_Bibliografien/An_LNTwww_beteiligte_Mitarbeiter_und_Dozenten#Prof._Dr.-Ing._habil._G.C3.BCnter_S.C3.B6der_.28am_LNT_seit_1974.29|Günter Söder]])  die HTML5-Variante 2.
 
  
==Nochmalige Aufrufmöglichkeit der Applets in neuem Fenster==
 
Wir bieten hier zwei Applets zur gleichen Thematik mit unterschiedlichem Layout an:
 
  
{{LntAppletLink|signalPeriod_en|Applet-Variante 1 in neuem Tab öffnen}} &nbsp; &nbsp; {{LntAppletLink|signalPeriodS_en|Applet-Variante 2 in neuem Tab öffnen}}
+
==Once again: Open Applet in new Tab==
 +
{{LntAppletLinkEnDe|signalPeriod_en|signalPeriod}}
 +
<br><br>

Latest revision as of 20:05, 21 March 2023

Open Applet in new Tab   Deutsche Version Öffnen


Applet Descripition


This applet draws the course and calculates the period duration  $T_0$  of the periodic function

$$x(t) = A_1\cdot \cos\left(2\pi f_1\cdot t- \varphi_1\right)+A_2\cdot \cos\left(2\pi f_2\cdot t- \varphi_2\right).$$

Please note:

  • The phases  $\varphi_i$  must be entered here in radians.  Conversion from the input value:  
$$\varphi_i \text{[in radians]} =\varphi_i \text{[in degrees]}/360 \cdot 2\pi.$$
  • The maximum value  $x_{\rm max}$  and a signal value  $x(t_*)$  at a given time  $t_*$ are also output.


Theoretical background


A periodic signal  $x(t)$  is present exactly when it is not constant and if for all arbitrary values of  $t$  and all integer values of  $i$  with an appropriate  $T_{0}$  applies:  

$$x(t+i\cdot T_{0}) = x(t).$$
  • $T_0$  is called the  period duration   and  $f_0 = 1/T_0$  the  basic frequency.
  • For a harmonic oscillation  $x_1(t) = A_1\cdot \cos\left(2\pi f_1\cdot t- \varphi_1\right)$  applies  $f_0 = f_1$  and  $T_0 = 1/f_1$,  independent of the phase  $\varphi_1$  and the amplitude  $A_1 \ne 0$.


$\text{Calculation Rule: }$  If the periodic signal  $x(t)$  consists of two parts  $x_1(t)$  and  $x_2(t)$  like in this applet, then applies for the basic frequency and the period duration with  $A_1 \ne 0$,  $f_1 \ne 0$,  $A_2 \ne 0$,  $f_2 \ne 0$:

$$f_0 = {\rm gcd}(f_1, \ f_2) \hspace{0.3cm} \Rightarrow \hspace{0.3cm}T_0 = 1/f_0.$$

Here  $\rm gcd$  denotes the greatest common divisor.


$\text{Examples:}$   In the following  $f_0'$,  $f_1'$  and $f_2'$  denote signal frequencies normalized to $1\ \rm kHz$:

(a)   $f_1' = 1.0$,   $f_2' = 3.0$   ⇒   $f_0' = {\rm gcd}(1.0, \ 3.0) = 1.0$   ⇒   $T_0 = 1.0\ \rm ms$;

(b)   $f_1' = 1.0$,   $f_2' = 3.5$   ⇒   $f_0' = {\rm gcd}(1.0, \ 3.5)= 0.5$   ⇒   $T_0 = 2.0\ \rm ms$;

(c)   $f_1' = 1.0$,   $f_2' = 2.5$   ⇒   $f_0' = {\rm gcd}(1.0, \ 2.5) = 0.5$   ⇒   $T_0 = 2.0\ \rm ms$;

(d)   $f_1' = 0.9$,   $f_2' = 2.5$   ⇒   $f_0' = {\rm gcd}(0.9, \ 2.5) = 0.1$   ⇒   $T_0 = 10.0 \ \rm ms$;

(e)   $f_2' = \sqrt{2} \cdot f_1' $   ⇒   $f_0' = {\rm gcd}(f_1', \ f_2') \to 0$   ⇒   $T_0 \to \infty$  ⇒   the signal  $x(t)$  is not periodic.


$\text{Note:}$  The period duration could also be determined as  least common multiple  $\rm (lcm)$  according to  $T_0 = {\rm lcm}(T_1, \ T_2)$:

(c)   $T_1 = 1.0\ \rm ms$,   $T_2 = 0.4\ \rm kHz$   ⇒   $T_0 = {\rm lcm}(1.0, \ 0.4) \ \rm ms = 2.0\ \rm ms$

With all other parameter values, however, there would be numerical problems, for example

(a)   $T_1 = 1.0\ \rm ms$  and  $T_2 = 0.333\text{...} \ \rm ms$  have no  "least common multiple"  due to the limited representation of real numbers.

Exercises

  • First select the number  (1, 2, ... )  of the exercise.  The number  0  corresponds to a  "Reset":  Same setting as at the program start.
  • An exercise description is displayed.  Parameter values are adjusted.  Solution after pressing "Show solution".
  • $A_1'$  and  $A_2'$  denote the signal amplitudes normalized to  $1\ \rm V$.  $f_0'$,  $f_1'$  and  $f_2'$  are the frequencies normalized to  $1\ \rm kHz$.


(1)   Consider  $A_1' = 1.0, \ A_2' = 0.5, \ f_1' = 2.0, \ f_2' = 2.5, \ \varphi_1 = 0^\circ \ \varphi_2 = 90^\circ$.  How large is the period  $T_0$?

$\hspace{1.0cm}\Rightarrow\hspace{0.3cm}$The period is  $T_0 = 2.0 \ \rm ms$   due to   $\rm{gcd}(2.0, 2.5) = 0.5$.

(2)   Vary  $\varphi_1$  and  $\varphi_2$  in the whole possible range  $\pm 180^\circ$.  How does this affect the period  $T_0$?

$\hspace{1.0cm}\Rightarrow\hspace{0.3cm}$The period  $T_0 = 2.0 \ \rm ms$  remains the same for all  $\varphi_1$  and  $\varphi_2$.

(3)   Select the default setting   ⇒   "Recall Parameters".  Vary  $A_1'$  in the entire possible range  $0 \le A_1' \le 1$.

$\hspace{1.0cm}\Rightarrow\hspace{0.3cm}$The period  $T_0 = 2.0 \ \rm ms$  remains the same with the exception of  $A_1' =0$.  In the latter case:  $T_0 = 0.4 \ \rm ms$.

(4)   Choose the default setting   ⇒   "Recall Parameters"  and vary  $f_2'$.  Does this affect  $T_0$?  Which value is the result for  $f_2' = 0.2$?

$\hspace{1.0cm}\Rightarrow\hspace{0.3cm}$The period jumps back and forth.  For  $f_2' = 0.2$  the result is  $T_0 = 5.0 \ \rm ms$  because of $\ \rm{gcd} (2.0,0.2)=0.2$.

(5)   Consider  $A_1' = 1.0, \ A_2' = 0.5, \ f_1' = 0.2, \ f_2' = 2.5, \ \varphi_1 = 0^\circ \ \varphi_2 = 90^\circ$.  How large is the period  $T_0$?  Save this setting with  "Store Parameters".

$\hspace{1.0cm}\Rightarrow\hspace{0.3cm}$The period is  $T_0 = 10.0 \ \rm ms$    due to  $\rm{gcd}(0.2, 2.5) = 0.1$.

(6)   Select the last setting   ⇒  "Recall Parameters"  and change  $f_2' = 0.6$.  Save this setting with  "Store Parameters".

$\hspace{1.0cm}\Rightarrow\hspace{0.3cm}$The period is  $T_0 = 5.0 \ \rm ms$  due to  $\rm{gcd}(0.2,0.6) = 0.2$.

(7)   How large is the maximum signal value  $x_{\rm max}$  with the same settings?`

$\hspace{1.0cm}\Rightarrow\hspace{0.3cm}$ $x_{\rm max} =x(t_* + i \cdot T_0) = 1.38 \ {\rm V} < A_1 + A_2$  with  $t_* = 0.3 \ \rm ms$  and  $T_0 = 5.0 \ \rm ms$.

(8)   What changes with  $\varphi_2 = 0^\circ$   ⇒   Sum of two cosine waves?

$\hspace{1.0cm}\Rightarrow\hspace{0.3cm}$ $t_* = 0$,  $T_0 = 5.0 \ \rm ms$  ⇒   $x_{\rm max} =x(t_* + i \cdot T_0) = 1.5 \ {\rm V}=A_1 + A_2$.

(9)   Now consider  $\varphi_1 = \varphi_2 = 90^\circ$   ⇒   Sum of two sine waves?

$\hspace{1.0cm}\Rightarrow\hspace{0.3cm}$The maximum signal value is now  $x_{\rm{max}} = 1.07 \ \rm V < A_1 + A_2$.  This value results from  $T_0 = 5.0 \ \rm ms$  and  $t_* = 0.6 \ \rm ms$  or  $t_* = 1.9 \ \rm ms$.


Applet Manual

Screenshot

    (A)     Parameter input for harmonic oscillation 1

    (B)     Parameter input for harmonic oscillation 2 and time  $t_*$.

    (C)     Numerical output of the main result  $T_0$; graphical illustration by red line

    (D)     Save parameter sets

    (E)     Retrieve parameter sets

    (F)     Output of  $x_{\rm max}$  and the signal values  $x(t_*) = x(t_* + T_0)= x(t_* + 2T_0)$

    (G)     Graphic field for displaying the signals

                  The signal values  $x(t_*) = x(t_* + T_0)= x(t_* + 2T_0)$  are marked by green dots

                  At the bottom of the graphic field you will find the following buttons:

                  (1)     Zoom funktions:    "$+$" (Zoom In),    "$-$" (Zoom Out),    $\rm o$ (Reset)

                  (2)     Move with    "←"    (Section to the left, ordinate to the right),    "$\uparrow$"    "$\downarrow$",     "$\rightarrow$"

    (H)     Task selection according to the task number

In all applets top right:    Changeable graphical interface design   ⇒   Theme:

  • Dark:   black background  (recommended by the authors).
  • Bright:   white background  (recommended for beamers and printouts)
  • Deuteranopia:   for users with pronounced green–visual impairment
  • Protanopia:   for users with pronounced red–visual impairment



About the Authors

This interactive calculation tool was designed and implemented at the  Institute for Communications Engineering  at the  Technical University of Munich.

  • The first German version was created in 2004 by  Ji Li  as part of her diploma thesis with “FlashMX – Actionscript” (Supervisor: Günter Söder).
  • In 2017 the program was redesigned by David Jobst (Bachelor thesis LB, Supervisor:  Tasnád Kernetzky ) via "HTML5".
  • The English version was done in 2020 by  Carolin Mirschina


Once again: Open Applet in new Tab

Open Applet in new Tab   Deutsche Version Öffnen