Анализ временных характеристик дискретных и цифровых устройств

72

или цифровой системы достаточно просто определяется импульсная характеристика.

Операторный метод. Операторный метод определения выходной реакции дискретной системы основан на теории Z - преобразования дискретных функций, как оригиналов, в непрерывные функции комплексного аргумента z , называемых изображениями и наоборот.

Оригиналу входного воздействия 10 , согласно теории Z -

преобразования, соответствует изображение в плоскости комплексной переменной z вида

ek 10 Ez 1.

Изображение выходной реакции дискретной системы будет иметь вид

1

Vz (z d1) (z d2 ) .

Втаблицах обратного Z - преобразования соответствующее выражение отсутствует, поэтому воспользуемся следующим приемом.

Всоответствии с теоремой о начальном значении функции

Далее, используя теорему Z - преобразования об упреждении функции на один такт

v1 z Vz z v0 ,

находим

Построение разностного уравнения дискретной системы осуществляется по

Отметим, что переход от системной функции к разностному уравнению осуществляется в предположении нулевых начальных значений, а истинные начальные значения учитываются позже при решении уравнения.

74

Определение начальных условий. Для однозначного определения решения разностного уравнения необходимы дополнительные независимые условия, в качестве которых удобно воспользоваться начальными условиями. Так как исходное разностное уравнение второго порядка и импульсная характеристика определена при k 1, необходимо определить v0 , v1 и v2 .

Начальные условия могут быть определены по изображению выходной переменной, в соответствии с теоремой теории Z - преобразования о начальном значении функции оригинала

Применяя еще раз теорему упреждения на один такт к последнему результату

и теорему о начальном значении функции, получим

соответствующим значение индекса k , и, учитывая, что входное воздействие и реакция системы в отрицательные моменты времени отсутствуют. Так, при

Таким образом, получаем, что начальные значения равны v0 0 , v1 0

и v2 1.

Решение разностных уравнений. Приступаем к определению переходной характеристики дискретной системы путем решения разностного уравнения.

Метод вариации произвольных постоянных (метод Лагранжа).

Согласно методу Лагранжа, общее решение неоднородного разностного уравнения второго порядка

vk 2 (d1 d2 ) vk 1 d1 d2 vk 10 fk

75

фундаментальная система решений соответствующего однородного уравнения; c1,k , c2,k - варьируемые постоянные – неизвестные пока функции.

Варьируемые постоянные находятся из определяющей системы

Напомним, что определяющая система уравнений Лагранжа образуется при подстановке предполагаемого общего решения в исходное разностное уравнение и наложении ограничения на сдвиг функций c1,k и c2,k . Первое

уравнение системы есть как раз данное ограничение, а второе уравнение есть результат подстановки предполагаемого решения в исходное разностное уравнение с учетом наложенного ограничения. Определитель системы уравнений есть определитель Касорати, построенный на основе фундаментальной системы решений и их сдвигов.

обратный разностный оператор в виде суммы функциональной последовательности, используя для раскрытия сумм формулу геометрической прогрессии. Учитывая тот факт, что входное воздействие в данном случае существует только при k 0, получаем значения сумм равные первым слагаемым

разностного уравнения в виде импульсной характеристики определено при

Подставляя найденные значения постоянных суммирования в общее решение, получаем частное решение исходного неоднородного разностного уравнения

исследуемой дискретной системы, и, как видим, совпадает с выражениями, найденными операторным методом.

Решение в форме Коши (метод Коши). Рассматриваемый нами вариант метода Коши предполагает предварительное преобразование исходного неоднородного разностного уравнения

vk 2 (d1 d2 ) vk 1 d1 d2 vk 10 fk

в эквивалентную систему двух разностных уравнений первого порядка.

77

или

X k 1 A X k Fk .

Согласно методу Коши, частное решение неоднородной системы разностных уравнений первого порядка следует искать в виде

функция от матрицы коэффициентов системы.

Как известно, любая аналитическая функция от матрицы, имеющей различные и отличные от нуля собственные значения, на основании ее модального представления

A H H 1,

может быть определена в виде

F ( A) H F ( ) H 1,

где - диагональная матрица собственных значений; H - модальная матрица собственных векторов; F ( ) k диагональная матрица указанной функции

от каждого собственного значения.

Собственные значения матрицы коэффициентов системы определяются из характеристического уравнения

Как видим, данное уравнение полностью совпадает с характеристическими уравнениями, определяемыми либо знаменателем системной функции, либо левой (однородной) частью разностного уравнения. Таким образом, собственные значения матрицы коэффициентов системы или корни характеристического уравнения представляются в виде

где i - диагональная матрица, составленная из i .

78

Доказывается, что модальная матрица H может быть определена алгебраическими дополнениями элементов одной из строк, например первой,

Заметим, что структура матрицы Ak n аналогична и отличается лишь показателем степени.

Теперь все подготовлено для представления решения в форме Коши. Предварительно отметим, что в нашем случае вектор начальных условий X 0

и вектор правой части эквивалентной системы разностных уравнений Fk имеют вид

Кроме того, отметим, что нас интересует лишь первая компонента вектора решений x1,k vk .

Обратим внимание на тот факт, что, несмотря на определение импульсной характеристики при k 1, в отличие от метода Лагранжа, где в качестве начальных условий используются значения v1 и v2 , в методе Коши

вкачестве начальных условий используются значения v0 и v1.

Всвязи с отмеченными обстоятельствами, используя общее выражение для решения системы разностных уравнений первого порядка, и, учитывая структуры векторов X 0 и Fk , выразим выходное напряжение дискретной

системы