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1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上一、 課題的任務(wù)和要求二、 總體方案設(shè)計(jì)1. 設(shè)計(jì)思路2.設(shè)計(jì)方案比較(1)方案一本系統(tǒng)采用可控制的計(jì)數(shù)、鎖存、譯碼顯示系統(tǒng),石英晶體振蕩器及多級(jí)分頻系統(tǒng),帶衰減器的放大整形系統(tǒng)和閘門電路四部分組成。由晶體振蕩器,多級(jí)分頻系統(tǒng)及門控電路得到具有固定寬度T的方波脈沖做門控信號(hào),當(dāng)門控信號(hào)到來(lái),閘門開(kāi)啟,周期為TX的信號(hào)脈沖和周期為T的門控信號(hào)相與通過(guò)閘門,在閘門輸出端產(chǎn)生的脈沖信號(hào)送到計(jì)數(shù)器,計(jì)數(shù)器開(kāi)始計(jì)數(shù),知道門控信號(hào)結(jié)束,閘門關(guān)閉。單穩(wěn)1的哲態(tài)送入鎖存器的使能端,鎖存器將計(jì)數(shù)器結(jié)果鎖存,計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)并被單穩(wěn)2的暫態(tài)清零。若取閘門的時(shí)間T內(nèi)通過(guò)閘門的信號(hào)脈沖個(gè)數(shù)為N

2、,則鎖存器中的鎖存計(jì)數(shù)。測(cè)量頻率可直接從數(shù)字顯示器上讀出。(2)方案二 純硬件的實(shí)現(xiàn)方法,系統(tǒng)采用由時(shí)基電路、放大整形電路、邏輯控制電路和數(shù)碼顯示器四部分組成。時(shí)基電路的作用是產(chǎn)生一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信號(hào)(高電平持續(xù)時(shí)間為1s),經(jīng)過(guò)三極管與555構(gòu)成的施密特整形電路放大整形,由74LS90十進(jìn)制計(jì)數(shù)器和74LS273鎖存器將所測(cè)的頻率傳給數(shù)碼管,顯示出來(lái)。(3)方案比較 方案一和方案二均可實(shí)現(xiàn)課題要求,且方案二可根據(jù)閘門時(shí)間選擇量程范圍。而且方案二最大的特點(diǎn)就是全硬件電路實(shí)現(xiàn),電路穩(wěn)定性好、精度高、沒(méi)有繁瑣的軟件調(diào)試過(guò)程,大大的縮短了測(cè)量周期。根據(jù)實(shí)際實(shí)驗(yàn)現(xiàn)有的器件及我們所掌握的知識(shí)層面,我們選擇采

3、用方案二。3.Xx電路原理框圖數(shù)字頻率計(jì)的原理框圖計(jì)數(shù)器鎖存器譯碼器多諧振蕩器10進(jìn)制分頻器顯示器放大整形正弦波矩形波自檢控制電路閘門1s0.001s圖1-1 數(shù)字頻率計(jì)原理框圖4Xx電路原理圖(1) 總電路圖圖3-6-1 整體電路圖三、 單元電路設(shè)計(jì)1. xx電路工作原理1.放大整形電路(1)電路分析:對(duì)信號(hào)的放大功能由三極管構(gòu)成放大電路來(lái)實(shí)現(xiàn),對(duì)信號(hào)整形的功能由施密特觸發(fā)器來(lái)實(shí)現(xiàn)。施密特觸發(fā)器電路是一種特殊的數(shù)字器件,一般的數(shù)字電路器件當(dāng)輸入起過(guò)一定的閾值,其輸出一種狀態(tài),當(dāng)輸入小于這個(gè)閾值時(shí),轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪粋€(gè)狀態(tài),而施密特觸發(fā)器不是單一的閾值,而是兩個(gè)閾值,一個(gè)是高電平的閾值,輸入從低電平向

4、高電平變化時(shí),僅當(dāng)大于這個(gè)閾值時(shí)才為高電平,而從高電平向低電平變化時(shí)即使小于這個(gè)閾值,其仍看成為高電平,輸出狀態(tài)不這;低電平閾值具有相同的特點(diǎn)。 圖3-1-1放大整形電路原理圖3時(shí)基電路設(shè)計(jì)(1)原理: 脈沖形成電路的作用是將待測(cè)信號(hào)(如正弦波,三角波或者其它呈周期性變化的波形)整形變成計(jì)數(shù)器所要求的脈沖信號(hào),其周期不變。本電路采用由555定時(shí)器所構(gòu)成的施密特觸發(fā)器,4位十進(jìn)制數(shù)顯示;時(shí)基電路由 555 定時(shí)器及分頻器組成, 555 振蕩器產(chǎn)生脈沖信號(hào),經(jīng)分頻器分頻產(chǎn)生的時(shí)基信號(hào),其脈沖寬度分別為: 1s, 0.1s;當(dāng)被測(cè)信號(hào)的頻率超出測(cè)量范圍時(shí),報(bào)警. 電路原理圖如下所示。圖3.1脈沖形成

5、電路圖(下邊)分頻電路 圖3.2 分頻電路74160,是一個(gè)4位二進(jìn)制的計(jì)數(shù)器,它具有異步清除端與同步清除端不同的是,它不受時(shí)鐘脈沖控制,只要來(lái)有效電平,就立即清零,無(wú)需再等下一個(gè)計(jì)數(shù)脈沖的有效沿到來(lái)。具體功能如下:1.異步清零功能 只要(CR的非)有效電平到來(lái),無(wú)論有無(wú)CP脈沖,輸出為“0”。在圖形符號(hào)中,CR的非的信號(hào)為CT=0,若接成七進(jìn)制計(jì)數(shù)器,這里要特別注意,控制清零端的信號(hào)不是N-1(6),而是N(7)狀態(tài)。其實(shí),很容易解釋,由于異步清零端信號(hào)一旦出現(xiàn)就立即生效,如剛出現(xiàn)0111,就立即送到(CR的非)端,使?fàn)顟B(tài)變?yōu)?000。所以,清零信號(hào)是非常短暫的,僅是過(guò)度狀態(tài),不能成為計(jì)數(shù)的

6、一個(gè)狀態(tài)。清零端是低電平有效。2.同步置數(shù)功能 當(dāng)(LD的非)為有效電平時(shí),計(jì)數(shù)功能被禁止,在CP脈沖上升沿作用下D0D3的數(shù)據(jù)被置入計(jì)數(shù)器并呈現(xiàn)在Q0Q3端。若接成七進(jìn)制計(jì)數(shù)器,控制置數(shù)端的信號(hào)是N(7)狀態(tài),如在D0D3置入0000,則在Q0Q3端呈現(xiàn)的數(shù)據(jù)就是0110。 3.3 移位寄存器 圖3.3移位寄存電路74LS194移位寄存器的控制輸入端S1和S0是用來(lái)進(jìn)行移位方向控制的,S0為高電平時(shí),移位寄存器處于向左移位的工作狀態(tài),二進(jìn)制數(shù)碼在CP脈沖的控制下由高到低逐位移入寄存器,因此可以實(shí)現(xiàn)串行輸入;在S1為低電平時(shí),移位寄存器處于向右移位的工作狀態(tài),二進(jìn)制數(shù)碼在CP脈沖的控制下逐位移

7、出寄存器(低位在前,高位在后)。在串行輸入、并行輸出的轉(zhuǎn)換中,若將四位二進(jìn)制數(shù)碼全部送入寄存器內(nèi)(四位寄存器)。由于每個(gè)CP脈沖移位寄存器只移一位,四位二進(jìn)制數(shù)碼需要四個(gè)CP脈沖。但若四位二進(jìn)制數(shù)碼還含有其它檢驗(yàn)碼(如奇偶校驗(yàn)碼),則總數(shù)碼有幾位就需要幾個(gè)CP脈沖。 時(shí)基電路由兩部分組成: 如圖3-2-1所示,第一部分為555定時(shí)器組成的振蕩器(即脈沖產(chǎn)生電路),要求其產(chǎn)生1000Hz的脈沖.振蕩器的頻率計(jì)算公式為:f=1.43/(R1+2*R2)*C),因此,我們可以計(jì)算出各個(gè)參數(shù)通過(guò)計(jì)算確定了R1取430歐姆,R3取500歐姆,電容取1uF.這樣我們得到了比較穩(wěn)定的脈沖。在R1和R3之間接

8、了一個(gè)10K的電位器便于在后面調(diào)節(jié)使得555能夠產(chǎn)生非常接近1KHz的頻率。如圖3-2-2所示,第二部分為分頻電路,主要由4518組成(4518的管腳圖,功能表及波形圖詳見(jiàn)附錄),因?yàn)檎袷幤鳟a(chǎn)生的是1000Hz的脈沖,也就是其周期是0.001s,而時(shí)基信號(hào)要求為0.01s、0.1s和1s。4518為雙BCD加計(jì)數(shù)器,由兩個(gè)相同的同步4級(jí)計(jì)數(shù)器構(gòu)成,計(jì)數(shù)器級(jí)為D型觸發(fā)器,具有內(nèi)部可交換CP和EN線,用于在時(shí)鐘上升沿或下降沿加計(jì)數(shù),在單個(gè)運(yùn)算中,EN輸入保持高電平,且在CP上升沿進(jìn)位,CR線為高電平時(shí)清零。計(jì)數(shù)器在脈動(dòng)模式可級(jí)聯(lián),通過(guò)將Q³連接至下一計(jì)數(shù)器的EN輸入端可實(shí)現(xiàn)級(jí)聯(lián),同時(shí)后者

9、的CP輸入保持低電平。 如圖3-2-4所示,555產(chǎn)生的1kHz的信號(hào)經(jīng)過(guò)三次分頻后得到3個(gè)頻率分別為100Hz、10Hz和1Hz的方波。 圖3-2-1 振蕩器原理圖 圖3-2-2 分頻電路原理圖3閘門電路設(shè)計(jì) (1)原理 如圖3-3所示,通過(guò)74151數(shù)據(jù)選擇器來(lái)選擇所要的10分頻、100分頻和1000分頻。74151的CBA接撥盤開(kāi)關(guān)來(lái)對(duì)選頻進(jìn)行控制。當(dāng)CBA輸入001時(shí)74151輸出的方波的頻率是1Hz;當(dāng)CBA輸入010時(shí)74151輸出的方波的頻率是10Hz;當(dāng)CBA輸入011時(shí)74151輸出的方波的頻率是100Hz;這里我們以輸出100Hz的信號(hào)為例。分析其通過(guò)4017后出現(xiàn)的波形圖

10、(4017的管腳圖、功能表和波形圖詳見(jiàn)附錄)。4017是5位計(jì)數(shù)器,具有10個(gè)譯碼輸出端,CP,CR,INH輸入端,時(shí)鐘輸入端的施密特觸發(fā)器具有脈沖整形功能,對(duì)輸入時(shí)鐘脈沖上升和下降時(shí)間無(wú)限制,INH為低電平時(shí),計(jì)數(shù)器清零。100Hz的方波作為4017的CP端,如圖3-3,信號(hào)通過(guò)4017后,從Q1輸出的信號(hào)高電平的脈寬剛好為100Hz信號(hào)的一個(gè)周期,相當(dāng)于將原信號(hào)二分頻。也就是Q1的輸出信號(hào)高電平持續(xù)的時(shí)間為10ms,那么這個(gè)信號(hào)可以用來(lái)導(dǎo)通閘門和關(guān)閉閘門。圖3-3-1 閘門電路原理圖4控制電路設(shè)計(jì)(1)電路分析 : 控制電路需要控制幾個(gè)模塊。包括計(jì)數(shù)電路,鎖存電路,和譯碼顯示電路。通過(guò)產(chǎn)生

11、控制信號(hào)控制所要控制的模塊,同時(shí)會(huì)產(chǎn)生清零信號(hào)和鎖存信號(hào),使顯示器顯示的測(cè)量結(jié)果穩(wěn)定。(1) 計(jì)數(shù)電路3、計(jì)數(shù)器與分擋電路計(jì)數(shù)器的形式較多,由于設(shè)計(jì)中計(jì)數(shù)器數(shù)值由七段LED顯示,應(yīng)采用十進(jìn)制計(jì)數(shù)器。由于采用3位顯示,至少使用三個(gè)十進(jìn)制計(jì)數(shù)器。分擋電路有HZ、KHZ兩擋,可以使用秒脈沖、毫秒脈沖做閘門信號(hào),也可以加長(zhǎng)計(jì)數(shù)器位數(shù),顯示時(shí)使用多路開(kāi)關(guān)選擇低位、高位實(shí)現(xiàn)分擋。 74160 的清除端是異步的。當(dāng)清除端/MR 為低電平時(shí),不管時(shí)鐘端CP 狀態(tài)如何,即可完成清除功能。74160 的預(yù)置是同步的。當(dāng)置入控制器/PE 為低電平時(shí),在 CP 上升沿作用下,輸出端 Q0Q3 與數(shù)據(jù)輸入端 P0P3

12、一致。對(duì)于54/74160,當(dāng) CP 由低至高跳變或跳變前,如果計(jì)數(shù)控制端 CEP、CET為高電平,則/PE 應(yīng)避免由低至高電平的跳變,而 54/74LS160 無(wú)此種限制。74160 的計(jì)數(shù)是同步的,靠 CP 同時(shí)加在四個(gè)觸發(fā)器上而實(shí)現(xiàn)的。當(dāng) CEP、CET 均為高電平時(shí),在 CP 上升沿作用下 Q0Q3 同時(shí)變化,從而消除了異步計(jì)數(shù)器中出現(xiàn)的計(jì)數(shù)尖峰。對(duì)于 54/74160,只有當(dāng)CP 為高電平時(shí),CEP、CET 才允許由高至低電平的跳變,而 54/74LS160的 CEP、CET 跳變與 CP 無(wú)關(guān)。74160 有超前進(jìn)位功能。當(dāng)計(jì)數(shù)溢出時(shí),進(jìn)位輸出端(TC)輸出一個(gè)高電平脈沖,其寬度為

13、 Q0 的高電平部分。在不外加門電路的情況下,可級(jí)聯(lián)成 N 位同步計(jì)數(shù)器。對(duì)于 54/74LS160,在 CP 出現(xiàn)前,即使 CEP、CET、/MR 發(fā)生變化,電路的功能也不受影響。 3-4-1計(jì)數(shù)電路原理圖(2) 鎖存/譯碼電路4511是 BCD7 段所存譯碼驅(qū)動(dòng)器,在同一單片結(jié)構(gòu)上由 COS/MOS 邏輯器件和 npn 雙極型晶體管構(gòu)成。這些器件的組合,使 4511 具有低靜態(tài)耗散和高抗干擾及源電流高達(dá) 25mA 的性能。由此可直接驅(qū)動(dòng) LED 及其它器件。 LT 、BI 、LE 輸入端分別檢測(cè)顯示、亮度調(diào)節(jié)、存儲(chǔ)或選通一BCD碼等功能。當(dāng)使用外部多路轉(zhuǎn)換電路時(shí),可多路轉(zhuǎn)換和顯示幾種不同的

14、信號(hào)。根據(jù)4511的真值表來(lái)連線,并不困難,這里就不做詳解了。3-4-2鎖存/譯碼電路原理圖(2)控制電路總原理圖: 圖3-4-2 控制電路原理圖通過(guò)分析我們知道控制電路這部分是本實(shí)驗(yàn)的最為關(guān)鍵和難搞的模塊。其中控制模塊里面又有幾個(gè)小的模塊,通過(guò)控制選擇所要測(cè)量的東西。比如頻率,周期,脈寬。同時(shí)控制電路還要產(chǎn)生74160的清零信號(hào),4511的鎖存信號(hào)。控制電路。計(jì)數(shù)電路和譯碼顯示電路詳細(xì)的電路如圖3-5所示。當(dāng)74153的CBA接001、010、011的時(shí)候電路實(shí)現(xiàn)的是測(cè)量被測(cè)信號(hào)頻率的功能。當(dāng)74153的CBA接100的時(shí)候?qū)崿F(xiàn)的是測(cè)量被測(cè)信號(hào)周期的功能。當(dāng)74153的CBA接101的時(shí)候?qū)?/p>

15、現(xiàn)的是測(cè)量被測(cè)信號(hào)脈寬的功能。圖3-6是測(cè)試被測(cè)信號(hào)頻率時(shí)的計(jì)數(shù)器CP信號(hào)波形、PT端輸入波形、CLR段清零信號(hào)波形、4511鎖存端波形圖。其中第一個(gè)波形是被測(cè)信號(hào)的波形圖、第二個(gè)是PT端輸入信號(hào)的波形圖、第三個(gè)是計(jì)數(shù)器的清零信號(hào)。第四個(gè)是鎖存信號(hào)。PT是高電平的時(shí)候計(jì)數(shù)器開(kāi)始工作。CLR為低電平的時(shí)候,計(jì)數(shù)器清零。根據(jù)圖得知在計(jì)數(shù)之前對(duì)計(jì)數(shù)器進(jìn)行了清零。根據(jù)4511(4511的管腳圖和功能表詳見(jiàn)附錄)的功能表可以知道,當(dāng)鎖存信號(hào)為高電平的時(shí)候,4511不送數(shù)。如果不讓4511鎖存的話,那么計(jì)數(shù)器輸出的信號(hào)一直往數(shù)碼管里送。由于在計(jì)數(shù),那么數(shù)碼管上面一直顯示數(shù)字,由于頻率大,那么會(huì)發(fā)現(xiàn)數(shù)字一直

16、在閃動(dòng)。那么通過(guò)鎖存信號(hào)可以實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)的時(shí)候讓數(shù)碼管不顯示,計(jì)完數(shù)后,讓數(shù)碼管顯示計(jì)數(shù)器計(jì)到的數(shù)字的功能。根據(jù)圖可以看到,當(dāng)PT到達(dá)下降沿的時(shí)候,此時(shí)4511的LE端的輸入信號(hào)也剛好到達(dá)下降沿。5自動(dòng)換擋(1)原理圖 圖3-5-1自動(dòng)換擋原理圖自動(dòng)換擋時(shí)采用可增可減的計(jì)數(shù)器74LS192來(lái)實(shí)現(xiàn)的,然后在結(jié)合D觸發(fā)器和各基本門電路就能做成一個(gè)可進(jìn)可退的自動(dòng)換擋了,換擋的工作時(shí)鐘是在計(jì)數(shù)完后才開(kāi)始工作的,然后顯示器是超量程了或是欠量程了就通過(guò)D觸發(fā)器反饋出來(lái)的信號(hào)在作用在74LS192上就可以實(shí)現(xiàn)增減檔位了,本圖是由高檔位向低檔位過(guò)渡的,經(jīng)由實(shí)踐可得從高檔位開(kāi)始測(cè)量可以減小仿真時(shí)間。2. xx電路參

17、數(shù)計(jì)算四、 仿真五、 小結(jié)六、 第四章 設(shè)計(jì)小結(jié)1 設(shè)計(jì)任務(wù)完成情況基本完成只用了2周,但是后續(xù)還是有很多問(wèn)題出現(xiàn),比如在震蕩電路的時(shí)候,要調(diào)出1KHZ的標(biāo)準(zhǔn)頻率有點(diǎn)困難,一不小心就會(huì)導(dǎo)致波形變形嚴(yán)重,開(kāi)始認(rèn)為這是最簡(jiǎn)單的一個(gè)環(huán)節(jié)的。接著是整形放大,遇到了2種情況,能放大又整形的不好,能整形放大的又不好,后來(lái)仔細(xì)研究了一下終于解決這個(gè)問(wèn)題了,這個(gè)2個(gè)模塊算是整個(gè)電路里面比較簡(jiǎn)單的地方了。接著是最難的控制電路,花的時(shí)間也非常的多,我先設(shè)計(jì)的是不自動(dòng)換擋的時(shí)候確保能正常計(jì)數(shù)了,然后再設(shè)計(jì)自動(dòng)換擋來(lái)加到控制電路當(dāng)中,幾經(jīng)調(diào)整最后終于完成了全部任務(wù),小數(shù)點(diǎn)是最后解決的因?yàn)槭亲詈?jiǎn)單的。2 問(wèn)題及改進(jìn)在設(shè)

18、計(jì)的555構(gòu)成多諧振蕩器輸出的方波信號(hào),由于電路里面使用的電容元件,在實(shí)驗(yàn)的時(shí)候,隨著實(shí)驗(yàn)室里面溫度的變化,輸出信號(hào)的頻率也會(huì)發(fā)生變化,這是造成誤差的一個(gè)原因,為了在驗(yàn)收的時(shí)候提高測(cè)量的準(zhǔn)確性,所以在測(cè)量前要調(diào)節(jié)電位器,把產(chǎn)生的方波信號(hào)接示波器,測(cè)量其輸出頻率,調(diào)節(jié)電位器,使輸出的信號(hào)非常接近1KHz,這樣的話在后面的測(cè)量中會(huì)減小誤差。在調(diào)測(cè)計(jì)數(shù)顯示電路的時(shí)候,在連接4511元件的時(shí)候忘記了將4511的5端接地,導(dǎo)致數(shù)碼管無(wú)法計(jì)數(shù),在實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中,連接好電路以后,發(fā)現(xiàn)沒(méi)反應(yīng),然后通過(guò)示波器一個(gè)一個(gè)檢測(cè)元件的輸入和輸出信號(hào),看看是不是和理論的一樣。找出不符合理論的那部分,對(duì)照電路圖進(jìn)行檢查修改,

19、最后發(fā)現(xiàn)有的芯片的使能端沒(méi)有接地,導(dǎo)致元件的功能沒(méi)有實(shí)現(xiàn)。所以在連接電路的時(shí)候要細(xì)心,這也是要改進(jìn)的地方。不然的話就會(huì)出現(xiàn)一個(gè)又一個(gè)的連接上面的問(wèn)題。在最終測(cè)量頻率很低的時(shí)候,那么本次電路測(cè)量頻率的算法就有了一定的缺點(diǎn)。例如,當(dāng)被測(cè)信號(hào)為0.5Hz時(shí),其周期為2s,這時(shí)閘門的脈沖仍為1s顯然是不行的。故應(yīng)該加寬閘門脈沖的寬度假設(shè)閘門脈沖寬度加至10S,則閘門導(dǎo)通期間可計(jì)數(shù)5次,由于計(jì)數(shù)值5是10s的計(jì)數(shù)結(jié)果,故在顯示之間必須將計(jì)數(shù)值除以10.加寬閘門信號(hào)也會(huì)帶來(lái)一些問(wèn)題:計(jì)數(shù)結(jié)果要進(jìn)行除以10的運(yùn)算,每次測(cè)量的時(shí)間最少要10s,時(shí)間過(guò)長(zhǎng)不符合人們的測(cè)量習(xí)慣,由于閘門期間計(jì)數(shù)值過(guò)少,測(cè)量的精度也

20、會(huì)下降。為了克服測(cè)量低頻信號(hào)時(shí)的不足,可以使用另一種算法。將被測(cè)信號(hào)送入被測(cè)信號(hào)閘門產(chǎn)生電路,該電路輸出一個(gè)脈沖信號(hào),脈寬與被測(cè)信號(hào)的周期相等。再用閘門產(chǎn)生電路輸出的閘門信號(hào)控制閘門電路的導(dǎo)通與開(kāi)斷。設(shè)置一個(gè)頻率精度較高的周期信號(hào)(例如10KHz)作為時(shí)基信號(hào),當(dāng)閘門導(dǎo)通時(shí),時(shí)基信號(hào)通過(guò)閘門到達(dá)計(jì)數(shù)電路計(jì)數(shù)。由于閘門導(dǎo)通時(shí)間與被測(cè)信號(hào)周期相同,則可根據(jù)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)值和時(shí)基信號(hào)的周期算出被測(cè)信號(hào)的周期T。T=時(shí)基信號(hào)周期*計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)值。再根據(jù)頻率和周期互為倒數(shù)的關(guān)系,算出被測(cè)信號(hào)的頻率f。這里面就提供一個(gè)思想。沒(méi)有通過(guò)實(shí)踐去驗(yàn)證。不可避免,這個(gè)算法也有它自己的缺陷。還有就是從手動(dòng)換擋,到只可進(jìn)或只可退的自動(dòng)換擋,最后改進(jìn)成了可進(jìn)可退的自動(dòng)換擋,其中的路途是非常曲折的,主要不同的就是換擋計(jì)數(shù)器的選擇,例如用了74LS160做出來(lái)的

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