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高考申論題 110年 [農業機械] 農業機電與控制

第 一 題

📖 題組:
一工程師針對剛完成的自動導引曳引雛型機進行測試,其中一台量測裝置的頻率響應如下圖所示。(每小題 5 分,共 20 分)
題組圖片
📝 此題為申論題,共 4 小題

小題 (一)

請問此量測裝置的頻寬(Bandwidth)範圍為何?

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判斷為機電感測系統之頻率響應分析題。解題核心在於應用頻寬之標準定義(即系統增益下降至 -3dB,或最大振幅之 1/√2 時的頻率區間)。需先觀察圖表特徵以建立左右邊緣之直線方程式,再代入目標值求解下限與上限截止頻率。

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【解題思路】根據控制系統與感測器原理,頻寬(Bandwidth)通常定義為增益衰減至最大值之 -3dB(即振幅為最大值之 $1/\sqrt{2} \approx 0.707$ 倍)時的頻率區間。 【詳解】 已知:

小題 (二)

此量測裝置若用以量測頻率 50 rad/sec,振幅為 3 V 的正弦波(Sinusoidal)輸入訊號,它的輸出訊號振幅為何(V)?

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考生應先判讀頻率響應圖的座標軸定義,找出橫軸(輸入頻率)與縱軸(振幅比)的對應關係。接著利用內插法求出給定頻率下的振幅放大率,再以「輸出振幅 = 輸入振幅 × 振幅比」公式求得最終答案。

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【解題關鍵】由頻率響應圖找出特定輸入頻率對應的振幅比,再乘上輸入振幅即為輸出振幅。 【解答】 計算:

小題 (三)

對於所有量測頻率大於 480 rad/sec,振幅為 5 V 的正弦波輸入訊號,它的輸出訊號振幅為何(V)?

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觀察頻率響應圖的橫軸與縱軸定義,找出特定頻率區間對應的振幅比(放大率)。利用「輸出振幅 = 輸入振幅 × 振幅比」的關係式即可求出答案。

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【解題關鍵】讀取頻率響應圖於特定頻率下之振幅比(放大率),並代入公式 $A_{out} = A_{in} \times \text{振幅比}$ 計算。 【解答】 Step 1:由頻率響應圖可知,橫軸為頻率 $\omega$ (rad/sec),縱軸為輸出與輸入的振幅比 $A_{out}/A_{in}$。

小題 (四)

此量測裝置可視之為低通、帶通或高通濾波?

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考生首先應觀察頻率響應圖中振幅增益(A_out/A_in)隨角頻率(ω)變化的趨勢。藉由分析低頻、中頻及高頻區段訊號是否能通過(增益接近1)或被衰減(增益接近0),即可對照出標準濾波器的類型。

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此量測裝置可視為「帶通濾波器(Band-pass filter)」。 由頻率響應圖可觀察到以下特徵: (1) 在低頻區段(ω < 100 rad/sec),增益由 0 逐漸上升,低頻訊號被大幅衰減。

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