电路函数公式
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单位冲激函数又称为狄拉克函数
δ( − x) = δ(x)
δ(ax) = | a | − 1δ(x)
xδ(x) = 0,xδ(x − a) = aδ(x − a)
δ(x2 − a2 = (2 | a | ) − 1[δ(x + a) + δ(x − a)]
1.5.1 单位斜变信号
斜变信号是从某一时刻开始随时间成正比例增加的信号。斜变信号也称斜坡信号或斜升信号。若增长的变化率为1,就称为单位斜变信号,其表达式为
其波形如图a所示:
(a) (b)
单位斜变信号(a)和截顶的单位斜变信号(b)的波形
单位斜变信号是理想信号,是不可实现的。现实中常见的充电过程可以理想化地表示为截顶的单位斜变信号,其波形如图b, 表达式为
1.5.2 单位阶跃信号
单位阶跃信号u(t)的函数表达式为
其波形如图所示。
单位阶跃信号的波形
单位阶跃函数的物理背景是,在t=0时刻对某一路电路接入单位电源,并且无限持续下去。如果接入电源的时间推迟到t=t0 时刻(t0>0),我们就可以用一个延时的单位阶跃函数来表示。其波形如图
延时的单位阶跃信号的波形
单位斜变信号R(t)与单位阶跃信号U(t)之间的关系为
为了书写方便常常利用阶跃信号与其延时信号之差来表示矩形脉冲,表达式为
R(t)=u(t)-u(t-T)
其波形如图
1.5.3 单位矩形脉冲信号
宽度为t、中心位于原点的单位矩形脉冲信号的表达式为:
其波形如图所示。
单位矩形脉冲信号的波形
显然,利用信号运算,单位矩形脉冲信号以用单位阶跃函数来表示:
在矩形脉冲信号中,有几个概念比较常用。
(1)脉宽:即矩形脉冲的宽度(非零区间的宽度),简称为脉宽。
(2)脉高:即矩形脉冲的高度,简称脉高。
显然,单位矩形脉冲信号的脉高为1。
有时,我们也称矩形脉冲信号为矩形窗信号、门信号等。
1.5.4 符号函数
符号函数简写作sgn(t),其定义为:
其波形如下图所示:
符号函数的波形
符号函数在零点处有跳变,可以不定义符号函数信号在该点的取值,也可以规定取值为sgn(0)=0。
1.5.5 单位冲激信号
单位冲激信号又可称为冲激函数、d函数或狄拉克函数等,其符号常记为d(t)。单位冲激信号反映一种持续时间极短、函数值极大的信号类型。而某些物理现象正需要这样的函数模型来描述。如电学中的雷击电闪、数字通信中的抽样脉冲、力学中的瞬间作用的冲击力等。"冲激函数"的概念正是以这类实际问题为背景而引出的。
大家可以思考一下,还有什么样的物理现象也要用冲激函数来描述?
这种特殊的函数,其定义也是特殊的。下面我们来看看如何定义单位冲激信号。
冲激函数可由不同的定义方式来定义。
(1) 狄拉克定义法
大家要注意,在上面的定义中,两个部分是一个整体,不能分开。
它是狄拉克最初提出并定义的,所以又称狄拉克函数。定义式表示集中在t=0的面积为1的冲激,这是工程上的定义,由于它不是普通函数,因此从严格的数学意义来说,它是一个颇为复杂的概念。然而为了应用,并不强调其数学上的严谨性,而只强调使运算方便。
冲激信号的一个重要标志是它的积分值。而关于它的形状的精确细节,则是无关紧要的。
为了对有一个直观的认识,可将看成某些普通函数的极限来定义。
(2) 规则函数取极限定义法
1. 用矩形脉冲:
2. 用三角形脉冲:
3. 用钟形脉冲:
还可以用双边指数脉冲、Sa(t)信号的极限来定义冲激函数。同学们可以自己试着写出用这些函数的极限定义的冲激函数定义式。
上述两种定义方法,从数学上讲都是不够严格的。要准确理解函数的意义,需要借助于分配函数的理论。用分配函数或广义函数的概念来研究奇异信号,就可以给出严格的数学定义,而且其一系列有关的性质也有严格的数学证明。关于这部分内容,不在本课程的要求范围内。有兴趣的同学可以自己参考有关的书籍。
那么,冲激函数有哪些性质呢?下面我们来看看冲激函数的一些重要性质。这些性质,我们在后面学习的过程中,会经常用到,希望同学们能深刻理解这些性质。
单位冲激信号有下面一些重要性质:
(1) 对称性:
是偶函数,即,函数关于纵轴是对称的。
所以才把这条性质称为"对称性"。
(2) 时域压扩性:
可见,经过尺度变换后的结果仍是一个冲激函数。这条性质需要用到单位冲激函数的定义来证明。
(3) 与u(t)的关系
单位阶跃信号和单位冲激信号是微分与积分的关系。由的定义,可得:
两边进行微分运算,可得:
由该式我们可以看出,正是由于引入了单位冲激函数,对于那些存在间断点的信号,函数在间断点处的导数也是可以表示出来的。
另外,单位冲激信号还有两个有着非常重要的用途的特性:
(1) 抽样特性:
连续时间信号f(t)与冲激信号d(t)相乘,并在整个时间范围内取积分,可以得到信号f(t)在t0(冲激发生的时刻)的函数值,也即将信号在该点的取值筛选出来了。
所以,有时也将这个特性称为"筛选特性"。
(2) 搬移特性:
连续时间信号f(t)与冲激信号进行卷积,等价于把该连续信号f(t)平移(搬移)到冲激信号
的冲激发生的时刻(冲激点所在位置)。
所以,将该性质称为搬移特性。