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文檔簡介

“十二五”職業教育國家規劃教材

經全國職業教育教材審定委員會審定數字電子技術及應用(第2版)學習單元4

振蕩電路的制作與調試

數字鐘組成框圖4-1555定時器4-2555定時器的應用電路4-3石英晶體多諧振蕩器實訓項目1HZ秒脈沖信號發生器的分析與設計

50HZ振蕩電路的制作與調試完成項目任務所需知識點1、555時基電路的結構、工作原理、引腳功能;晶振的工作原理2、由555構成多諧振蕩器電路,多諧振蕩器的功能特點、參數計算、應用;知識重點555時基電路的結構、工作原理、引腳功能石英晶體振蕩器的工作原理知識難點555應用電路的功能分析及參數計算職業技能訓練能利用555、石英晶體振蕩器設計制作振蕩電路,能進行參數計算并能使用萬用表、示波器等儀器儀表進行調試能用555、電阻、電位器、電容等器件設計功能電路能根據設計的原理圖選用IC芯片,并能列出材料清單并根據清單備齊所需元器件能根據電路制作與調試需要選用五金工具和焊接工具,制作短連線并能插接短連線,能對電子元器件引線浸錫能根據設計的原理圖進行合理的布線布局,使用焊接工具手工焊接實際電路(電路板)能正確焊接IC芯片管腳、電源和地線能發現電路制作過程中出現的工藝質量問題,能編寫工作任務報告能團結小組成員、開展分工合作;具有成本意識、質量意識4.1555定時器知識分布網絡電路結構功能復位置位維持直接復位555定時器電阻分壓器電壓比較器基本RS觸發器放電三極管T輸出緩沖器4.1555定時器555定時器是一種電路結構簡單、使用方便靈活、應用非常廣泛的模擬與數字電路相結合的中規模集成電路,也稱為時基電路。555定時器廣泛應用于脈沖波形的產生與變換、儀器與儀表電路、測量與控制電路、定時和報警以及家用電器與電子玩具等領域。555定時器的電源電壓范圍寬,TTL555定時器為5~16V,輸出最大負載電流可達200mA,可直接驅動微電機、指示燈及揚聲器等。COMS555的電源電壓為3~18V,但輸出最大負載電流為4mA。TTL單定時器型號最后3位數字為555,雙定時器為556;CMOS單定時器型號的最后4位數字為7555,雙定時器型號為7556。4.1.1555定時器的電路結構555定時器由五部分組成,即由電阻分壓器(三個5kΩ電阻構成)、電壓比較器(C1和C2)、基本RS觸發器(由G1和G2兩個與非門組成)、集電極開路的放電三極管T和輸出緩沖級(G3)組成。

直接復位端低電平有效外加控制電壓端電壓輸出端放電端復位控制輸入端置位控制輸入端172865434.1.1555定時器的電路結構電阻分壓器(三個5kΩ電阻構成)為電壓比較器(C1和C2)提供兩個基準電壓。電壓比較器為RS觸發器提供觸發信號:u+>u-,輸出高電平UOH(

“1”)u+<u-,輸出低電平UOL(“0”)RS觸發器:低電平有效觸發則Q=0則Q=1RS觸發器控制放電管T的工作狀態(導通或截止)T導通T截止Q0104.1.2555定時器的功能THC1C2uoT功能說明0××××0導通直接復位功能11截止置位功能10導通復位功能

1保持保持維持功能555定時器功能表注:VCO端無外加控制電壓

4.2555定時器的應用電路知識分布網絡555定時器的應用電路施密特觸發器多諧振蕩器單穩態觸發器參數計算電路組成4.2.1用555定時器構成單穩態觸發器①電路只有一個穩定的狀態,另一個狀態是暫穩態,不加觸發信號時,它始終處于穩態;②在外加觸發脈沖(上升沿或下降沿)作用下,電路才能由穩態進入暫穩態,暫穩態不能長久保持,經過一段時間后能自動返回原來的穩態;③暫穩態持續的時間tW取決于電路本身的參數,與外加觸發信號無關。單穩態觸發器具有以下特點:4.2.1用555定時器構成單穩態觸發器電路結構R、C——定時元件(決定tW)4.2.1用555定時器構成單穩態觸發器工作原理

1)穩態:接通VCC后瞬間,VCC通過R對C充電,當uc上升到2VCC/3時,⑥管腳為1,②管腳ui

=1,∴uo=0,放電管T導通,C又通過T放電,使uc=0,但ui

=1,故uo=0不變,電路處于穩態。穩態4.2.1用555定時器構成單穩態觸發器工作原理

2)觸發由穩態進入暫穩態:ui負脈沖到來時刻,因ui<VCC/3為0,uc

仍為0,∴uo由0變為1,放電管T截止,VCC經R對C充電,電路進入暫穩態。暫穩態穩態觸發4.2.1用555定時器構成單穩態觸發器工作原理

暫穩態穩態3)暫穩態自動恢復到穩態:當uc充電到2VCC/3為1時,ui負脈沖已消失ui

=1,∴輸出uo=0,T導通,C放電,電路自動恢復到穩態。穩態4.2.1用555定時器構成單穩態觸發器輸出脈沖寬度tW的計算

暫穩態單穩態觸發器暫穩態的維持時間tW就是電容上的電壓由0按指數規律上升到2/3VCC的時間,根據一階RC電路三要素法,電容兩端的電壓為:由于τ為充電時間常數,τ=RC,t=tw時

得4.2.1用555定時器構成單穩態觸發器應用單穩態觸發器屬于脈沖整形電路,常用于脈沖波形的整形(把不規則的波形轉換成寬度、幅度都相等的波形),延時(把輸入信號延遲一定時間后輸出)、定時(產生一定寬度的矩形波)。單穩態觸發器用作定時電路用555定時器構成施密特觸發器4.2.2用555定時器構成施密特觸發器施密特觸發器:輸出和輸入電壓具有滯后電壓傳輸特性的電路。特點:1)屬于電平觸發,有兩個穩定的狀態,是雙穩態觸發電路。2)對于正向和負向增長的輸入信號,電路的觸發轉換電平不同。定義:反相輸出的傳輸特性0UT+UT-uoui1uiuo反相輸出的邏輯符號反相輸出特性:當輸入電壓正向增加到正向閥值電壓UT+時,輸出由1態翻轉到0態;當輸入電壓反向減小到負向閥值電壓UT-時,輸出由0態翻轉到1態。UT+與UT-的差值ΔUT=UT+–UT-稱作回差電壓。類型:反相輸出的施密特觸發器同相輸出的施密特觸發器同相輸出特性:當輸入電壓正向增加到正向閥值電壓UT+時,輸出由0態翻轉到1態;當輸入電壓反向減小到負向閥值電壓UT-時,輸出由1態翻轉到0態。傳輸特性及邏輯符號4.2.2用555定時器構成施密特觸發器電路結構與工作原理2.當ui反向減?。寒攗i<2VCC/3且ui>VCC/3時,6、2管腳0、1,輸出保持不變∴uo=0;ui≤VCC/3時,6、2管腳為0、0,∴uo=10000110111111001.當ui正向增長:當ui<VCC/3時,6、2管腳狀態為0、0,繼續增大到ui<2VCC/3時,6、2管腳狀態為0、1,∴uo=1;當ui≥2VCC/3時,6、2管腳為1、1,輸出由1變為0?!鄒o=0010000114.2.2用555定時器構成施密特觸發器傳輸特性輸入信號由小變大時,使電路狀態發生翻轉所對應的輸入電壓稱作正向閾值電壓。輸入信號由大變小時,使電路狀態發生翻轉所對應的輸入電壓稱作負向閾值電壓。外接控制電壓可改變它們的值4.2.2用555定時器構成施密特觸發器應用1)波形變換施密特觸發器可以將三角波、正弦波及變化緩慢的非矩形波變換為上升沿和下降沿都很陡峭的矩形波。2)脈沖波形整形施密特觸發器可以將一個不規則的波形進行整形,得到一個良好的波形,。3)脈沖幅度鑒別施密特觸發器可用來將幅度較大的脈沖信號鑒別出來4.2.3用555定時器構成多諧振蕩器多諧振蕩器:是一種自激振蕩電路,它無穩態,只有兩個暫穩態,接通電源后,無需外加觸發脈沖信號,電路便能在兩個暫穩態之間相互翻轉,產生矩形脈沖信號,因為矩形脈沖信號含有豐富的諧波成分,所以常將矩形脈沖產生電路稱為多諧振蕩器。

特點:無穩態,只有兩個暫穩態,無需觸發信號4.2.3用555定時器構成多諧振蕩器電路結構與工作原理接通VCC后,VCC經R1和R2對C充電。當uc上升到2VCC/3時,uo=0,T導通,C通過R2和T放電,uc下降。當uc下降到VCC/3時,uo又由0變為1,T截止,VCC又經R1和R2對C充電。如此重復上述過程,在輸出端uo產生了連續的矩形脈沖。充電放電初始化充電T截止T導通放電uo4.2.3用555定時器構成多諧振蕩器振蕩頻率的計算電容放電時間電容充電時間三要素法tW1的計算tW2的計算4.2.3用555定時器構成多諧振蕩器振蕩頻率的計算電容放電時間電容充電時間占空比思考如何實現50HZ振蕩電路?50HZ振蕩電路的制作與調試制作并調試電路用示波器觀察uc和uo波形調節電位器,使輸出信號uo的頻率為50HZ理論計算輸出信號uo的頻率范圍4.3石英晶體多諧振蕩器知識分布網絡石英晶體的結構壓電效應石英晶體多諧振蕩器石英晶體的工作原理和等效電路石英晶體和反相器構成的多諧振蕩器石英晶體的電抗特性、等效電路圖4.3.1石英晶體的工作原理與等效電路1.石英晶體的結構石英晶體結構圖及石英晶體切片

石英晶體結構及符號壓電效應的定義:當晶片的兩個基板受到一定方向的外力時,會在相應的兩個表面上產生符號相反的電荷,產生電場。反之,在電場的作用下,晶片又會產生一定頻率的機械變形。稱為壓電效應。什么是壓電諧振?當外加電場的頻率和晶片的固有頻率相同時,就會產生共振,其振動幅度驟然增大,這種現象就稱為壓電諧振。2.石英晶體的等效電路、電抗特性、諧振頻率4.3.1石英晶體的工作原理與等效電路石英晶體等效電路模型石英晶體的電抗特性串聯諧振頻率并聯諧振頻率

兩個諧振的頻率很接近4.3.2石英晶體和反相器構成的多諧振蕩器1.電路兩個反相器經電容C1、C2耦合形成正反饋回路。合理選擇反饋電阻R1、R2,使G1、G2工作在電壓傳輸特性的轉折區,這時,兩個反相器都工作在放大區。由石英晶體的頻率特性可知,串聯諧振時候,阻抗最小,此時的阻抗近似于0。并聯諧振時候,阻抗最大,此時阻抗近似為無窮。所以當處于串聯諧振時候,此時的正反饋最大,形成振蕩,產生的振蕩頻率完全取決于石英晶體本身的串聯諧振頻率。4.3.2石英晶體和反相器構成的多諧振蕩器2.工作原理當電路工作時,G2輸出的噪聲信號經過石英晶體之后,選出頻率為fs的正弦信號,并反饋到UI1,經過G1、C1

、G2線性放大,由C2、Y1反饋到UI1。多次放大后,輸出削頂失真信號,形成近似方波輸出。振蕩頻率fo等于fs,石英晶體振蕩器最高頻率可達幾十兆赫。知識梳理與總結1.555定時器是一種電路結構簡單、使用方便靈活、應用非常廣泛的模擬與數字電路相結合的中規模集成電路,它具有較強的負載能力和較高的觸發靈敏度,因而在自動控制,儀器儀表,家用電器等許多領域都有著廣泛的應用。2.在555定時器外部接少許阻容元器件可構成單穩態觸發器、施密特觸發器和多諧振蕩器。3.單穩態觸發器只有一個穩態,在輸入觸發信號作用下,由穩態進入暫穩態,經一段時間后,自動回到原來的穩態,輸出單脈沖信號。單穩態觸發器主要用于脈沖整形、定時、脈寬展寬等。4.施密特觸發器有兩個穩態,具有滯后電壓傳輸特性,主要用于波形變換、整形及脈沖幅度的鑒別等。5.多諧振蕩器是一種自激振蕩電路,它無穩態,只有兩個暫穩態,接通電源后,無需外加觸發脈沖信號,依靠電容的充放電,電路便能在兩個暫穩態之間相互翻轉,產生矩形脈沖信號。6、壓電效應是指當晶片的兩個基板受到一定方向的外力時,會在相應的兩個表面上產生符號相反的電荷,產生電場。反之,在電場的作用下,晶片又會產生一定頻率的機械變形。7、石英晶體具有壓電效應,由于其Q值很高,頻率穩定度高,可以和一些簡單的門電路一起構成多諧振蕩器。石英晶體多諧振蕩器應用廣泛,廣泛的運用于彩電、計算機、通信系統中以產生穩定的時鐘信號。知識梳理與總結“十二五”職業教育國家規劃教材

經全國職業教育教材審定委員會審定數字電子技術及應用(第2版)學習單元5

半導體存儲器教學導航實訓項目10流水燈控制電路的制作與調試

建議授課天數2天(12學時)完成項目任務所需知識點ROM的存儲原理、功能表讀解、管腳功能

知識重點ROM、RAM的功能表讀解、管腳功能知識難點ROM、RAM的存儲原理職業技能訓練能了解大規模集成電路半導體存儲器ROM、RAM存儲原理,能分析ROM、RAM構成電路的功能,能利用ROM、RAM構成功能電路并使用萬用表、示波器等儀器儀表進行調試能用555、計數器、ROM和門電路設計功能電路,能用計數器構成ROM的地址電路,能用固化器將數據存入E2PROM。能根據設計的原理圖選用IC芯片,并能列出材料清單并根據清單備齊所需元器件能根據電路制作與調試需要選用五金工具和焊接工具,制作短連線并能插接短連線,能對電子元器件引線浸錫能根據設計的原理圖進行合理的布線布局,使用焊接工具手工焊接實際電路(電路板)能正確焊接IC芯片管腳、電源線和地線能發現電路制作過程中出現的工藝質量問題,能編寫工作任務報告能團結小組成員、開展分工合作;具有成本意識、質量意識

推薦教學方法從任務出發,通過課堂聽講、教師引導、小組學習討論,實際芯片功能查找、實際電路焊接、功能調試,即“教、學、做”一體,掌握完成任務所需知識點和相應的技能

5-1只讀存儲器(ROM)5-2隨機存取存儲器(RAM)5.1只讀存儲器(ROM)知識分布網絡只讀存儲器ROMPROM的結構和存儲原理EPROM、EEPROM的結構和存儲原理固定ROM的結構和存儲原理ROM的結構和分類5.1.1只讀存儲器的結構與分類只讀存儲器的特點:只讀存儲器用來存儲二值信息代碼,其數據一旦寫入,在正常工作時,只能按給定的地址讀取所存內容,而不能改寫。存儲信息可靠,存儲器存儲的內容在斷電后不會消失,具有非易失性。5.1.1只讀存儲器的結構與分類只讀存儲器的組成結構n條地址輸入線(地址碼)

2n條譯碼輸出線

(字線)字:m位二進制數組成的一個二進制代碼稱作一個字字長:字所包含的二進制數的位數

字節:8位數的字存放一位二進制信息包含m個存儲單元存儲矩陣的m個輸出線(位線)存放二進制信息5.1.1只讀存儲器的結構與分類地址輸入線輸入相應二進制地址碼,經譯碼后其對應字線(字線Wi的下標i即對應的地址碼的十進制數)輸出有效電平高電平(又稱該字線被選中),選中對應的信息單元,信息單元中存儲的信息(字)就可由m條輸出線(位線)經輸出緩沖器輸出(D0~Dm-1),讀出該信息單元存放的信息。其余字線為低電平。每一根字線對應地存放一個m位二進制數碼,這個m位二進制數稱為一個字。通常把一個字中所含的位數稱為字長。位數可以1位、4位、8位、16位和32位等。把8位數的字稱為一個字節。4位為半個字節,16位稱為兩個字節。把輸出位數的線稱為位線。存儲器中總的存儲單元的數量稱為存儲容量,存儲容量用字線數×位線數表示。5.1.1只讀存儲器的結構與分類分類ROM器件按制造工藝可分為:二極管、雙極型晶體管和MOS型ROM;按編程方式的不同,可分為掩膜編程的固定內容只讀存儲器和可編程二種,而可編程ROM又可分一次可編程ROM(PROM—ProgrammableROM)、紫外線擦除電信號可編程只讀存儲器EPROM(ErasableProgrammableROM)、電擦除、電編程只讀存儲器EEPROM或E2PROM(ElectricallyErasableProgrammableROM)。

5.1.2固定內容的只讀存儲器(ROM)二極管ROM輸出高電平有效0000011001導通導通截止5.1.2固定內容的只讀存儲器(ROM)二極管ROM輸出高電平有效1000100111截止截止導通5.1.2固定內容的只讀存儲器(ROM)二極管ROM輸出高電平有效0101001110截止導通截止5.1.2固定內容的只讀存儲器(ROM)二極管ROM輸出高電平有效1110000101導通截止截止5.1.2固定內容的只讀存儲器(ROM)ROM陣列示意圖

字線和位線的每一個交叉處就是一個存儲單元,交叉處接有二極管(或MOS管、晶體管)的,存儲單元內存入1,沒有接二極管(或MOS管、晶體管)的,存儲單元內存入0。代表二極管(或MOS管、晶體管),表示存儲1沒有圓點的表示存儲05.1.3可編程只讀存儲器(PROM)PROM產品在出廠時,所有的存儲單元均為1(或0),用戶可以根據需要將其中的某些單元寫入數據0(或寫入1),以實現對其“編程”的目的。PROM只允許寫入一次,所以也被稱為“一次可編程只讀存儲器”(OneTimeProgrammingROM,OTP-ROM)。

特點:5.1.3可編程只讀存儲器(PROM)PROM每個存儲單元都串接了熔絲,每個晶體管的發射極都經過熔絲與位線相連,出廠時,熔絲都是接通的,亦即存儲的內容全為“1”,如果需要將某個存儲單元的內容改寫為“0”,只需給它加上比工作電流大得多的電流,使該單元的熔絲燒斷,其發射極和位線斷開,相當于存儲了“0”。PROM的存儲單元結構PROM的存儲單元結構5.1.3可編程只讀存儲器(PROM)PROM還有一種存儲單元是由兩個肖特基二極管反向串聯而成,出廠時,由于D1、D2反向串聯,字線與位線是斷開的,相當于全部存儲“0”,當需要將某個存儲單元的內容改寫為“1”時,只需加上高電壓,使二極管D1擊穿短路,字線與位線通過D2相連,相當于存儲了“1”。

PROM的存儲單元結構PROM的存儲單元結構5.1.4可擦寫只讀存儲器由用戶自己寫入信息,如果需要修改只要擦除原先存入的信息,再行重寫。1.紫外線擦除電信號編程只讀存儲器(EPROM)EPROM的特點:具有可擦除功能,即可將存儲器存儲的信息抹去,再寫入新的信息。它的存儲單元是一種特殊的浮柵MOS管,其作用相當于PROM中的熔絲,該產品出廠時浮柵上無電荷,相當于熔絲斷開,即存儲信息全為“0”,在專用編程器編程信號作用下,使浮柵中注入電荷,浮柵MOS管導通,相當于熔絲接通,存儲信息“1”。用強紫外線照射浮柵,可消除浮柵中的電荷,達到抹去存儲信息的目的。EPROM的優點是存儲的信息可以多次改寫,但缺點是擦除需要使用紫外線照射一定的時間。

5.1.4可擦寫只讀存儲器由用戶自己寫入信息,如果需要修改只要擦除原先存入的信息,再行重寫。2.電擦除、電編程只讀存儲器(EEPROM)

EEPROM(E2PROM)的存儲結構和EPROM類似,只是它的浮柵上增加了一個隧道二極管,利用它,在編程信號的作用下,可向浮柵注入電荷和消除電荷,即可直接用電信號寫入,也可用電信號擦除。EEPROM的存儲單元可邊擦除便改寫,一次完成,速度比EPROM快很多,數據寫入后,可保持十年以上。

5.1.4可擦寫只讀存儲器2864AE2PROM管腳排列圖工作方式I/O0~I/O7讀出001輸出寫入010輸入維持1××高阻數據查詢001輸出當寫入時,只需置=0,=0,

=1,加入地址碼和存入數碼即可。讀出時置=0,=0,=1,可輸出對應地址碼的存儲數據。CE5.2隨機存取存儲器(RAM)知識分布網絡隨機存儲器RAMRAM電路結構RAM工作原理5.2隨機存取存儲器(RAM)隨機存儲器的特點:RAM用來存放一些臨時性的數據或中間結果RAM可以在任意時刻、對任意選中的存儲單元存入(寫)信息或取出(讀)信息,讀寫非常方便RAM存儲的內容在斷電后全部丟失,不能保存,即具有易失性。

RAM主要由地址譯碼器、存儲矩陣、讀/寫控制電路等部分組成,是大規模的時序邏輯電路。RAM分類靜態RAM(即StaticRAM,簡稱SRAM)動態RAM(即DynamicRAM,簡稱DRAM)5.2.1RAM的結構地址譯碼器用以決定訪問哪個字單元讀/寫控制電路用以決定對被選中的單元是讀還是寫存儲矩陣是由大量寄存器構成的矩陣,用來存儲數字信息。片選端用以決定芯片是否工作;5.2.1RAM的結構地址譯碼器用以決定訪問哪個字單元,地址譯碼器由行地址譯碼器和列地址譯碼器組成。行、列地址譯碼器的輸出即為行(又稱字線)、列(又稱位線)選擇線,分別用X、Y表示,由它們共同確定欲選擇的地址單元。例如:256×4RAM存儲矩陣中,256個字需要8位地址碼A7~A0。其中高3位A7~A5用于列地址譯碼輸入,低5位A4~A0用于行地址譯碼輸入。A7~A0=00100010時,Y1=1、X2=1,選中X2和Y1交叉的字單元。

5.2.2存儲單元存儲單元是RAM中最小的存儲單位。它的基本作用是存儲一位二進制信息。六管靜態存儲單元MOS管T1、T2為驅動管,T3、T4為負載管,相當于兩個電阻。由T1、T2、T3、T4組成一個基本RS觸發器,它能存儲一位二進制信息。T5、T6為門控管,相當于兩個開關,存儲單元通過它們和數據位線相連。T5、T6的柵極接到同一個字選擇線上,以控制存儲單元是否被選中。

在存儲單元被選中時,字線X為高電位,門控管T5、T6導通,觸發器與位線接通,即點與位線相通,Q點與位線D相通。此時可通過位線對該單元寫入或讀出操作了5.2.2存儲單元六管靜態存儲單元寫入時,若要將“1”寫入該存儲單元,則需將線加低電位,D線加高電位。D的高電位通過T6加至Q點,使T1導通,的低電位通過T5加至點,使T2管截止,Q=1,=0,“1”就被寫入該存儲單元。若要寫入“0”,則在線加高電位,D線加低電位即可。

讀出時,因選中的存儲單元上T5、T6導通,若原存信息為“1”,即T1導通、T2截止,則Q點的高電位送D線,而的低電位送線,經讀出放大器放大后,輸出信息“1”。若原存信息為“0”,則線為高電位,D線為低電位,經讀出放大器后輸出為“0”。5.2.2存儲單元四管動態存儲單元動態存儲單元是利用MOS管的柵極輸入電阻很高,漏電流很小,柵極電容的電荷存儲效應存儲信息的。四管動態存儲單元利用T1和T2管的柵極與襯底間的電容C1、C2上所存電荷的狀態來存儲二進制信息。當C1充電至高電位時,C2上沒有電荷,則T1導通,T2截止,此時,=0,Q=1。即存儲單元處于“1”狀態,存儲了“1”信息。反之,C2充電到高電位,C1上沒有電荷,則T2導通,T1截止,存儲單元處于“0”狀態,存儲了“0”信息。

5.2.2存儲單元四管動態存儲單元寫入時,X線為高電位,T5、T6管導通,這時Q點和點分別與兩條位線連通。若要寫“0”,則在D線上加低電位,線上加高電位。這樣,線上的高電位通過T5對C2充電,使點成為高電平,而C1經T6向D線放電,使Q點變為為低電位,于是,實現了寫“0”操作。需要寫“1”時,只要使X線為高電位,同時D線上加高電位,線上加低電位,即可。當字線的狀態恢復到低電位時,寫入的狀態被記憶。5.2.2存儲單元四管動態存儲單元讀出時,首先加預充脈沖,電源VDD經預充管向位線上的分布電容、充電,使位線

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