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

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[[File:P_ID788__LZI_Z_1_2.png |right|Measured signal amplitudes <br>and phases for filter&nbsp; $\rm B$|frame]]
 
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Zur messtechnischen Bestimmung des Filterfrequenzgangs wird ein sinusförmiges Eingangssignal mit der Amplitude&nbsp; $2 \hspace{0.05cm} \text{V}$&nbsp; und vorgegebener Frequenz&nbsp; $f_0$&nbsp; angelegt. Das Ausgangssignal&nbsp; $y(t)$&nbsp; bzw. dessen Spektrum&nbsp; $Y(f)$&nbsp; werden dann nach Betrag und Phase ermittelt.  
+
For the metrological determination of the filter frequency response, a sinusoidal input signal with an amplitude of&nbsp; $2 \hspace{0.05cm} \text{V}$&nbsp; and given frequency&nbsp; $f_0$&nbsp; is applied. The output signal&nbsp; $y(t)$&nbsp; or its spectrum&nbsp; $Y(f)$&nbsp; are then determined according to magnitude and phase.  
  
*Das Betragsspektrum am Ausgang von Filter&nbsp; $\rm A$&nbsp; lautet mit der Frequenz&nbsp; $f_0 = 1 \ \text{kHz}$:  
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*The magnitude spectrum at the output of filter&nbsp; $\rm A$&nbsp; with frequency&nbsp; $f_0 = 1 \ \text{kHz}$ is:  
 
:$$|Y_{\rm A} (f)| = 1.6\hspace{0.05cm}{\rm V} \cdot {\rm \delta } (f
 
:$$|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&nbsp; $\rm B$&nbsp; ist das Ausgangssignal dagegen stets eine harmonische Schwingung mit der (einzigen) Frequenz&nbsp; $f_0$. Bei den in der Tabelle angegebenen Frequenzen&nbsp; $f_0$&nbsp; werden die Amplituden&nbsp; $A_y(f_0)$&nbsp; und die Phasen&nbsp; $φ_y(f_0)$&nbsp; gemessen. Hierbei gilt:  
+
*For another filter&nbsp; $\rm B$&nbsp; on the other hand, is always a harmonic oscillation with the (single) frequency&nbsp; $f_0$. 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. Here, the following holds:  
 
:$$Y_{\rm B} (f) = {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) +  {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&nbsp; $\rm B$ &nbsp;soll in der Aufgabe in der Form
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In the task, filter&nbsp; $\rm B$ &nbsp;should be given in the form:$$H_{\rm B}(f) =  {\rm e}^{-a_{\rm B}(f)}\cdot {\rm e}^{-{\rm j}
:$$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)}$$.
\hspace{0.05cm} \cdot \hspace{0.05cm} b_{\rm B}(f)}$$
 
  
dargestellt werden. Hierbei bezeichnet
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Here,
*$a_{\rm B}(f)$&nbsp; den Dämpfungsverlauf, und
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*$a_{\rm B}(f)$&nbsp; denotes the damping curve, and
*$b_{\rm B}(f)$&nbsp; den Phasenverlauf.  
+
*$b_{\rm B}(f)$&nbsp; the phse response.  
  
  
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<quiz display=simple>
 
<quiz display=simple>
{Welche der Aussagen sind hinsichtlich des Filters&nbsp; $\rm A$&nbsp; zutreffend?  
+
{Which of the statements are true regarding filter&nbsp; $\rm A$&nbsp;?  
 
|type="[]"}
 
|type="[]"}
- Es gilt&nbsp; $|H(f)| = 0.8$.
+
- The following holds: &nbsp; $|H(f)| = 0.8$.
+ Das Filter&nbsp; $\rm A$&nbsp; 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&nbsp; $\rm B$&nbsp; zutreffend?  
+
{Which of the statements are true regarding filter&nbsp; $\rm B$&nbsp;?  
 
|type="()"}
 
|type="()"}
- Filter&nbsp; $\rm B$&nbsp; ist ein Tiefpass.  
+
- Filter&nbsp; $\rm B$&nbsp; is a low-pass filter.  
- Filter&nbsp; $\rm B$&nbsp; ist ein Hochpass.  
+
- Filter&nbsp; $\rm B$&nbsp; is a high-pass filter.  
+ Filter&nbsp; $\rm B$&nbsp; ist ein Bandpass.  
+
+ Filter&nbsp; $\rm B$&nbsp; is a band-pass filter.  
- Filter&nbsp; $\rm B$&nbsp; ist eine Bandsperre.  
+
- Filter&nbsp; $\rm B$&nbsp; is a band-stop filter.  
  
  

Revision as of 02:11, 29 June 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  $\rm B$  on the other hand, 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 task, 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,

  • $a_{\rm B}(f)$  denotes the damping curve, and
  • $b_{\rm B}(f)$  the phse 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

Ermitteln Sie den Dämpfungswert und die Phase für Filter  $\rm B$  und  $f_0 = 3 \ \text{kHz}$.

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

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

 $\text{Grad}$

4

Welcher Dämpfungs– und Phasenwert ergibt sich für  $f_0 = 2 \ \text{kHz}$?

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

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

 $\text{Grad}$


Sample solution

(1)  Richtig sind die Lösungsvorschläge 2 und 3:

  • 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.


(2)  Richtig ist der Lösungsvorschlag 3:

  • Aufgrund der angegeben Zahlenwerte für  $A_y(f_0)$  kann von einem Bandpass ausgegangen werden.


(3)  Mit  $A_x = 2 \text{ V}$  und  $\varphi_x = 90^\circ$  (Sinusfunktion) erhält man für  $f_0 = f_3 =3 \text{ kHz}$:

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

Somit ergeben sich für  $f_0 = f_3 = 3 \text{ kHz}$  die Werte

  • $a_{\rm B} (f_3)\rm \underline{\: ≈ \: 0.693 \: Np}$,
  • $b_{\rm B}(f_3) \rm \underline{\: = \: 0 \: (Grad)}$.


(4)  In analoger Weise kann der Frequenzgang bei  $f_0 = f_2 =2 \text{ kHz}$  ermittelt werden:

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

Damit erhält man für  $f_0 = f_2 = 2 \ \text{ kHz}$:

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


Bei  $f_0 = -f_2 =-\hspace{-0.01cm}2 \text{ kHz}$  gilt der gleiche Dämpfungswert. Die Phase hat jedoch das umgekehrte Vorzeichen. Also ist  $b_{\rm B}(–f_2) = \ –\hspace{-0.01cm}20^{\circ}.$