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1、目錄課程設(shè)計(jì)(論文)任務(wù)書(shū).I課程設(shè)計(jì)(論文)成績(jī)?cè)u(píng)定表.III中文摘要IV1 設(shè)計(jì)任務(wù)描述11.1 設(shè)計(jì)題目:數(shù)字頻率計(jì)11.2 設(shè)計(jì)要求11.2.1 設(shè)計(jì)目的11.2.2 基本要求11.2.3 發(fā)揮部分12 設(shè)計(jì)思路23 設(shè)計(jì)方框圖34 各部分電路設(shè)計(jì)及參數(shù)計(jì)算44.1晶體振蕩電路44.2分頻電路44.3整形放大電路5工作原理5施密特觸發(fā)器原理圖64.4計(jì)數(shù)鎖存譯碼顯示電路64.5邏輯控制電路7工作原理74.5.2 555單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器電路原理圖84.6報(bào)警電路8報(bào)警原理電路8相關(guān)參數(shù)計(jì)算95 工作過(guò)程分析96 元器件清單107 主要元器件介紹117.1 74160同步十進(jìn)制計(jì)數(shù)器117.2

2、 74273八D型觸發(fā)器127.3 555定時(shí)器137.3.1 555定時(shí)器的組成和功能13定時(shí)器的引腳圖及引腳功能147.4 7448共陰極七段譯碼器15小結(jié)16致謝17參考文獻(xiàn)18附錄 A1 邏輯電路圖19附錄 A2 實(shí)際接線圖201設(shè)計(jì)任務(wù)描述1.1 設(shè)計(jì)題目:數(shù)字頻率計(jì)1.2 設(shè)計(jì)要求1.2.1設(shè)計(jì)目的(1) 掌握數(shù)字頻率計(jì)的構(gòu)成,原理與設(shè)計(jì)方法;(2)熟悉集成電路的使用方法。1.2.2基本要求(1)要求被測(cè)信號(hào)為方波,峰值為3V到5V(和TTL兼容),被測(cè)信號(hào)頻率范圍為0HZ到9999HZ;(2)設(shè)計(jì)石英晶體振蕩器及分頻系統(tǒng),閘門(mén)時(shí)間:10ms,0.1s,1s,10s;(3)可控制的

3、計(jì)數(shù),鎖存,譯碼顯示系統(tǒng)。 發(fā)揮部分(1)被測(cè)信號(hào)為三角波信號(hào);(2)超量程報(bào)警系統(tǒng)。2 設(shè)計(jì)思路所謂的頻率就是1秒鐘之內(nèi)通過(guò)閘門(mén)的脈沖個(gè)數(shù),在通過(guò)計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù),最后通過(guò)顯示器表現(xiàn)出來(lái)。首先,我們要獲得一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的固定寬度T的方波脈沖做門(mén)控制信號(hào),他的選擇會(huì)改變閘門(mén)時(shí)間從而直接影響頻率計(jì)的量程。其次,我們要把這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的信號(hào)和被測(cè)信號(hào)相“與”,通過(guò)門(mén)控制信號(hào)可以獲得T時(shí)間內(nèi)通過(guò)脈沖的個(gè)數(shù),此脈沖直接進(jìn)入計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù),最后通過(guò)譯碼顯示其頻率。最后,我們要設(shè)計(jì)的是對(duì)計(jì)數(shù)器和鎖存器的控制,這個(gè)的基本思路是在時(shí)基電路脈沖的上升沿到來(lái)時(shí)閘門(mén)開(kāi)啟,計(jì)數(shù)器開(kāi)始計(jì)數(shù),在同一脈沖的下降沿到來(lái)時(shí),閘門(mén)關(guān)閉,計(jì)數(shù)器

4、停止計(jì)數(shù).同時(shí),鎖存器產(chǎn)生一個(gè)鎖存信號(hào)輸送到鎖存器的使能端將結(jié)果鎖存,并把鎖存結(jié)果輸送到譯碼器來(lái)控制七段顯示器,這樣就可以得到被測(cè)信號(hào)的數(shù)字顯示的頻率.而在鎖存信號(hào)的下降沿到來(lái)時(shí)邏輯控制電路產(chǎn)生一個(gè)清零信號(hào)將計(jì)數(shù)器清零,為下一次測(cè)量做準(zhǔn)備,實(shí)現(xiàn)了可重復(fù)使用,避免兩次測(cè)量結(jié)果相加使結(jié)果產(chǎn)生錯(cuò)誤。綜合上面所說(shuō)的可以將數(shù)字頻率計(jì)的電路分為四大部分即:時(shí)基電路、閘門(mén)電路、邏輯控制電路以及可控制的計(jì)數(shù)、鎖存、譯碼、顯示電路。時(shí)基電路的組成:閘門(mén)電路:它的目的是提供閘門(mén)開(kāi)啟的時(shí)間,該閘門(mén)可由一“與”門(mén)充當(dāng)??梢杂?4160將標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)進(jìn)行分頻,從而獲得的閘門(mén)時(shí)間分別為10ms,0.1s,1s,10s。閘門(mén)時(shí)

5、間越長(zhǎng),得到的頻率值就越準(zhǔn)確,也就是說(shuō)其量程越小。邏輯控制電路:在時(shí)基信號(hào)結(jié)束時(shí)產(chǎn)生的負(fù)跳變用來(lái)產(chǎn)生鎖存信號(hào),鎖存信號(hào)的負(fù)跳變又用來(lái)產(chǎn)生清零信號(hào),鎖存信號(hào)和清零信號(hào)可由雙單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器74LS123產(chǎn)生,它們的脈沖寬度由電路的時(shí)間常數(shù)決定。計(jì)數(shù)、鎖存、譯碼、顯示電路:鎖存器的作用是將計(jì)數(shù)器在T結(jié)束時(shí)所計(jì)得的數(shù)進(jìn)行鎖存,使顯示器上能穩(wěn)地顯示此時(shí)計(jì)數(shù)器的值。所示將些時(shí),T計(jì)數(shù)時(shí)間結(jié)束時(shí),邏輯控制電路發(fā)出鎖存信號(hào),將些時(shí)計(jì)數(shù)器的值送譯碼顯示器。3 設(shè)計(jì)方框圖被 測(cè) 信 號(hào)整 形 放 大閘 門(mén)計(jì) 數(shù) 器鎖 存 器譯 碼 器顯 示 器邏 輯 控 制 電 路時(shí) 基 電 路 4 各部分電路設(shè)計(jì)及參數(shù)計(jì)算本設(shè)計(jì)

6、電路主要分為5大部分,分別是整形電路部分,分頻電路部分,主要控制電路部分,計(jì)數(shù)、譯碼、鎖存電路部分和顯示電路部分,以下為具體功能及參數(shù)計(jì)算。4.1.晶體振蕩電路石英晶體振蕩器的特點(diǎn)是振蕩頻率準(zhǔn)確,電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,頻率易調(diào)整。它還具有壓電效應(yīng),在晶體某一方向加一電場(chǎng),則在與此垂直的方向產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng),有了機(jī)械振動(dòng),就會(huì)在相應(yīng)的垂直面上產(chǎn)生電場(chǎng),從而使機(jī)械振動(dòng)和電場(chǎng)互為因果,這種循環(huán)過(guò)程一直持續(xù)到警惕的機(jī)械強(qiáng)度限制時(shí),才達(dá)到穩(wěn)定,這種頻率為晶體振蕩器的固有頻率。 在石英晶體振蕩器的輸出端放置一個(gè)非門(mén),起到穩(wěn)定輸出波形,增強(qiáng)帶負(fù)載能力的作用。此非門(mén)的輸入為正弦波,輸出為方波。4.2分頻電路 由于石英晶體

7、振蕩電路產(chǎn)生的頻率很高,要得到秒脈沖,需要用分頻電路。例如振蕩器輸出10000HZ信號(hào),然后送到10分頻計(jì)數(shù)器74LS160后頻率變?yōu)?000HZ,再送到10分頻的計(jì)數(shù)器74160中頻率變?yōu)?00HZ,在經(jīng)過(guò)兩次分頻變?yōu)?HZ的方波信號(hào)。將此方波信號(hào)作為脈沖信號(hào)。 通過(guò)第一個(gè)十分頻計(jì)數(shù)器出來(lái)的信號(hào)頻率為1000Hz,根據(jù)T=1/f,其相應(yīng)的周期為1ms。以此類(lèi)推,經(jīng)過(guò)后幾個(gè)計(jì)數(shù)器輸出后的信號(hào)周期分別為10ms,0.1s,1s。當(dāng)對(duì)應(yīng)的開(kāi)關(guān)閉合時(shí)就以該周期計(jì)入輸入脈沖個(gè)數(shù)。4.3整形放大電路工作原理整形電路主要由一個(gè)555定時(shí)器,一個(gè)電阻組成,將定時(shí)器的8腳4腳接電源,1腳接地5腳接電容接地,7

8、腳接電阻接5v電源,2腳和6腳相聯(lián)作為輸入端,7腳作為輸出端,這樣就構(gòu)成了一個(gè)施密特觸發(fā)器,起到整形作用。 如果Vi由0v開(kāi)始逐漸增加,當(dāng)Vi<Vcc/3時(shí),輸出Vo為高電平;Vi繼續(xù)增加,如果Vcc/3<Vi<2Vcc/3,輸出Vo維持高電平不變;Vi再增加,一旦Vi>2Vcc/3,Vo就由高電平跳變?yōu)榈碗娖?;之后Vi再增加,仍是Vi>2Vcc/3,電路輸出保持低電平不變。如果Vi由大于的電壓值逐漸下降,只要Vcc/3<Vi<2Vcc/3,電路輸出狀態(tài)不變,仍為低電平;只有當(dāng)Vi<Vcc/3時(shí),電路才再次翻轉(zhuǎn),Vo就由低電平跳變?yōu)楦唠娖健H糨斎?/p>

9、電壓的波形是個(gè)三角波,則對(duì)應(yīng)的輸出波形如圖所示,它是反相輸出的施密特觸發(fā)器。4.3.2施密特觸發(fā)器原理圖4.4計(jì)數(shù) 鎖存 譯碼 顯示電路7490計(jì)數(shù)器的作用是對(duì)輸入脈沖計(jì)數(shù)。根據(jù)設(shè)計(jì)要求最高測(cè)量頻率為9999HZ,應(yīng)采用4位十進(jìn)制計(jì)數(shù)器。其作用還有當(dāng)邏輯控制電路輸出“清零”信號(hào)到計(jì)數(shù)器“清零”端時(shí),對(duì)顯示器進(jìn)行清零。74273鎖存器在確定的時(shí)間內(nèi)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)結(jié)果必須鎖定后才能獲得穩(wěn)定的顯示值。鎖存器的作用是通過(guò)觸發(fā)脈沖控制,將測(cè)得的數(shù)據(jù)寄存起來(lái)送顯示譯碼器。鎖存器可以采用一般的八位并行輸入寄存器,為使數(shù)據(jù)穩(wěn)定,最好采用邊沿觸發(fā)方式的器件。7448為高電平有效,用于驅(qū)動(dòng)共陰極顯示器,是把8421

10、BCD碼表示的10進(jìn)制轉(zhuǎn)換成能驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管正常顯示的段信號(hào),以獲得數(shù)字顯示。4.5邏輯控制電路工作原理 邏輯控制電路:作用有兩個(gè):一是產(chǎn)生鎖存脈沖信號(hào),使顯示器上的數(shù)字穩(wěn)定;二是產(chǎn)生“0”脈沖(清零信號(hào)),式計(jì)數(shù)器每次測(cè)量從零開(kāi)始計(jì)數(shù)。信號(hào)進(jìn)入第一個(gè)555單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器后有一定的延時(shí)作用, t=1.1RC。 555單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器電路原理圖4.6報(bào)警電路報(bào)警原理電路相關(guān)參數(shù)計(jì)算R電阻,/k/M;C電容,F(xiàn);f頻率,HZ;報(bào)警器報(bào)警時(shí)間,s。5 工作過(guò)程分析數(shù)字頻率計(jì)的工作過(guò)程可一分為三階段。第一階段:信號(hào)的輸入與整形。首先輸入信號(hào)通過(guò)放大器進(jìn)行放大,其波形可以為正弦波,三角波,然后通過(guò)施密特觸發(fā)器對(duì)輸

11、出信號(hào)進(jìn)行整形,使之成為矩形脈沖。第二階段:標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間內(nèi)通過(guò)脈沖的統(tǒng)計(jì)首先是由石英晶體震蕩器和分級(jí)分頻系統(tǒng)及門(mén)控制電路得到具有固定寬度T的方波脈沖做門(mén)控制信號(hào),時(shí)間基準(zhǔn)T稱(chēng)為閘門(mén)時(shí)間,這里主要是利用了74160器件的分頻功能,它將輸出的頻率依次按十進(jìn)制縮小,測(cè)量時(shí)可按照需要任意選取。選取完量程后時(shí)基信號(hào)有兩個(gè)走向,一個(gè)是去控制閘門(mén)的開(kāi)啟和關(guān)閉另一個(gè)是去控制一個(gè)邏輯電路。當(dāng)時(shí)基信號(hào)通過(guò)閘門(mén)時(shí),閘門(mén)開(kāi)啟,這時(shí)輸入信號(hào)和時(shí)基信號(hào)共同作用由輸出端產(chǎn)生一個(gè)脈沖進(jìn)入計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù),簡(jiǎn)單的說(shuō)這里時(shí)基信號(hào)的作用就是提供一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)間,而這個(gè)與“與”門(mén)就是為了實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間內(nèi)輸入信號(hào)通過(guò)的脈沖個(gè)數(shù),當(dāng)這個(gè)時(shí)基信號(hào)結(jié)

12、束時(shí)閘門(mén)關(guān)閉。第三階段:邏輯電路的控制 在時(shí)基信號(hào)結(jié)束時(shí),既當(dāng)它的下降沿到來(lái)時(shí),它通過(guò)邏輯控制電路的時(shí)候會(huì)產(chǎn)生一個(gè)負(fù)跳變用來(lái)充當(dāng)鎖存信號(hào),而鎖存信號(hào)的負(fù)跳變又會(huì)產(chǎn)生清零信號(hào),當(dāng)一個(gè)時(shí)基信號(hào)結(jié)束后,邏輯控制電路發(fā)出鎖存信號(hào)將此時(shí)計(jì)數(shù)器上的結(jié)果通過(guò)顯示器顯示出來(lái), 而在鎖存信號(hào)的下降沿到來(lái)時(shí)邏輯控制電路產(chǎn)生一個(gè)清零信號(hào)將計(jì)數(shù)器清零。這就是一個(gè)基本數(shù)字頻率計(jì)的全部工作過(guò)程。此外我還有兩個(gè)發(fā)揮的部分工作問(wèn)題過(guò)程的分析:其一,超量程的報(bào)警系統(tǒng)它的工作過(guò)程是這樣的,當(dāng)選定的標(biāo)準(zhǔn)頻率太大(既周期很小),即所測(cè)頻率達(dá)到9999時(shí),信號(hào)通過(guò)與非門(mén)向報(bào)警系統(tǒng)發(fā)出一個(gè)低電平電位是報(bào)警系統(tǒng)工作。其二,對(duì)被測(cè)信號(hào)的整形

13、,使其變?yōu)榉讲ㄟ\(yùn)用施密特觸發(fā)器。6 元器件清單l 元件名稱(chēng)l 規(guī)格及用途l 數(shù)量74LVC160計(jì)數(shù)器474LS273鎖存器274LS48譯碼器474LS123邏輯控制電路1NAND8(與非門(mén))1石英晶體震蕩器產(chǎn)生1s脈沖1555報(bào)警系統(tǒng) 單穩(wěn)態(tài) 施密特5七段顯示器顯示頻率值4電容 4.7Uf 10nf若干JK_FF觸發(fā)器1電阻10若干74LS90D計(jì)數(shù)器474LS08D與門(mén)27 主要元器件介紹7.1 74160同步十進(jìn)制計(jì)數(shù)器:74160為十進(jìn)制計(jì)數(shù)器,直接清除。兩個(gè)高電平有效允許輸入EP和ET及動(dòng)態(tài)進(jìn)位輸出使計(jì)數(shù)器易于級(jí)聯(lián);ET允許動(dòng)態(tài)進(jìn)位輸出圖7.1 74160同步十進(jìn)制計(jì)數(shù)器管腳圖輸入

14、輸出Qn時(shí)鐘清除置數(shù)EPETXLXXX清除HLXX置數(shù)HHHH計(jì)數(shù)XHHLX不計(jì)數(shù)XHHXL不計(jì)數(shù)表7.1 74160同步十進(jìn)制計(jì)數(shù)器功能表7.2 74273八D型觸發(fā)器:74273是邊沿觸發(fā)器,具有公共時(shí)鐘和清除功能。可以作為緩沖器、存儲(chǔ)器、和位移寄存器。圖7.2 74273八D型觸發(fā)器管腳圖S輸入輸出Qn清除時(shí)鐘DLXXLHHHHLLHLXQ0表7.4 74273八D型觸發(fā)器功能表7.3 555定時(shí)器7.3.1 555定時(shí)器的組成和功能555定時(shí)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化原理圖如圖所示。它由3個(gè)阻值為5K的電阻組成的分壓器、兩個(gè)電壓比較器C1和C2、基本RS觸發(fā)器、放電BJT T以及緩沖器G組成。定

15、時(shí)器的主要功能取決于比較器,比較器的輸出控制RS觸發(fā)器和放電BJT T的狀態(tài)。圖中RD為復(fù)位輸入端,當(dāng)RD為低電平時(shí),不管其他輸入端的狀態(tài)如何,輸出Vo為低電平。因此在正常工作時(shí),應(yīng)將其接高電平。7.3.2555定時(shí)器的引腳圖及引腳功能 圖7.3.2 555定時(shí)器的引腳圖 它的各個(gè)引腳功能如下:1腳:外接電源負(fù)端VSS或接地,一般情況下接地。2腳:低觸發(fā)端3腳:輸出端Vo4腳:是直接清零端。當(dāng)端接低電平,則時(shí)基電路不工作,此時(shí)不論、TH處于何電平,時(shí)基電路輸出為“0”,該端不用時(shí)應(yīng)接高電平。5腳:VC為控制電壓端。若此端外接電壓,則可改變內(nèi)部?jī)蓚€(gè)比較器的基準(zhǔn)電壓,當(dāng)該端不用時(shí),應(yīng)將該端串入一只

16、0.01F電容接地,以防引入干擾。6腳:TH高觸發(fā)端7腳:放電端。該端與放電管集電極相連,用做定時(shí)器時(shí)電容的放電。8腳:外接電源VCC,雙極型時(shí)基電路VCC的范圍是4.5 16V,CMOS型時(shí)基電路VCC的范圍為3 18V。一般用5V。 在1腳接地,5腳未外接電壓,兩個(gè)比較器A1、A2基準(zhǔn)電壓分別為的情況下,555時(shí)基電路的功能表如表7.3.1所示。表7.3.1 555定時(shí)器的功能表清零端高觸發(fā)端TH低觸發(fā)端Qn+1放電管T功能00導(dǎo)通直接清零10導(dǎo)通置011截止置11Qn不變保持7.4 7448共陰極七段譯碼器有效高電平輸出:內(nèi)部有升壓電阻因而無(wú)需外部電阻;輸出最大電壓5.5V;吸收電流6.

17、4mA圖7.2 7448共陰七段譯碼器/驅(qū)動(dòng)器管腳圖十進(jìn)制數(shù)或功能輸入BI/RBO輸出LTRBIDCBAabcdefg0HXLLLLHONONONONONONOFF1HXLLLHHOFFONONOFFOFFOFFOFF2HXLLHLHONONOFFONONOFFON3HXLLHHHONONONONOFFOFFON4HXLHLLHOFFONONOFFOFFONON5HXLHLHHONOFFONONOFFONON6HXLHHLHOFFOFFONONONONON7HXLHHHHONONONOFFOFFOFFOFF8HXHLLLHONONONONONONON9HXHLLHHONONONOFFOFFON

18、ON10HXHLHLHOFFOFFOFFONONOFFON11HXHLHHHOFFOFFONONOFFOFFON12HXHHLLHOFFOFFONOFFOFFONON13HXHHLHHONOFFONOFFOFFONON1415HHXXHHHHHHLHHHOFFOFFOFFOFFOFFOFFONOFFONOFFONOFFONOFFBIXXXXXXXOFFOFFOFFOFFOFFOFFOFFRBIHLLLLLLOFFOFFOFFOFFOFFOFFOFFLTLXXXXXXONONONONONONON表7.2 7448共陰七段譯碼器/驅(qū)動(dòng)器功能表七段顯示譯碼器是驅(qū)動(dòng)七段顯示器件的專(zhuān)用譯碼器,它可以把輸

19、入的二十進(jìn)制代碼轉(zhuǎn)換成七段顯示管所需要的輸入信息,以使七段顯示管顯示正確的數(shù)碼。七段顯示譯碼的示意圖如圖所示。圖 七段譯碼顯示示意圖小 結(jié)為期一周的課程設(shè)計(jì)結(jié)束了,這一周的設(shè)計(jì)對(duì)自己來(lái)說(shuō)是一個(gè)很大的挑戰(zhàn),從剛開(kāi)始拿到題目時(shí)的不知所措到現(xiàn)在對(duì)設(shè)計(jì)內(nèi)容的不斷深入理解,可以說(shuō)是一個(gè)很大的突破。本次課程設(shè)計(jì),不僅僅是對(duì)課堂所學(xué)知識(shí)的一次復(fù)習(xí),也是一次理論與實(shí)踐相結(jié)合的絕佳機(jī)會(huì)。通過(guò)這次的設(shè)計(jì),我明白了課堂上所學(xué)的知識(shí),會(huì)因?yàn)檎n時(shí)的限制或是課本年代的限制而變得并不全面,而且由于科技的快速發(fā)展,我們課本的知識(shí)是跟不上時(shí)代的。正是因?yàn)槲覀兯鶎W(xué)知識(shí)的欠缺,所以在設(shè)計(jì)中我們要學(xué)會(huì)利用圖書(shū)館、網(wǎng)絡(luò)等多種渠道查詢(xún)我

20、們?cè)O(shè)計(jì)所需要的資料。然后用我們所學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)去一點(diǎn)點(diǎn)的了解不同的集成電路的功能和用途。寫(xiě)報(bào)告也是一項(xiàng)很不容易的事情,因?yàn)楸敬卧O(shè)計(jì)的時(shí)間正值期末考試,時(shí)間緊任務(wù)重。而且用軟件制作管腳圖和實(shí)際接線圖時(shí)也遇到了很大的麻煩,首先就是對(duì)軟件的不熟悉,很多功能都需要同學(xué)們共同研究。還有就是數(shù)據(jù)庫(kù)的不完全,設(shè)計(jì)原理圖中的很多集成電路在軟件中都是找不到的,即使找到也會(huì)發(fā)現(xiàn)與自己所找的資料有所不同。解決這些困難著實(shí)花費(fèi)了很多的時(shí)間和精力。這些問(wèn)題的解決,單靠自己是很難做到的,這里不僅有老師的指導(dǎo),還有同學(xué)們的集體智慧。課程設(shè)計(jì)期間我們還進(jìn)行了答辯,老師針對(duì)我們所設(shè)計(jì)的電路提出一些問(wèn)題,答辯是自愿的,不過(guò)我感覺(jué)這是一次不錯(cuò)的機(jī)會(huì),所以我選擇答辯。在大學(xué),像這種老師和學(xué)生一對(duì)一的問(wèn)答的機(jī)會(huì)還是很少的,剛開(kāi)始的時(shí)候確實(shí)有一點(diǎn)緊張,反應(yīng)有點(diǎn)慢,對(duì)所問(wèn)的問(wèn)題有點(diǎn)不太清楚,不過(guò)最終還是解決了,總的來(lái)說(shuō)答辯的過(guò)程還算是順利的

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