《模拟电子技术》实验指导书.docx
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《模拟电子技术》实验指导书
预备实验常用电子仪器的使用
一、实验目的
(1)学习电子电路实验中常用的电子仪器——示波器、函数信号发生器、直流稳压电源、交流毫伏表、频率计等的主要技术指标、性能及正确使用方法。
(2)初步掌握用双踪示波器观察正弦信号波形和读取波形参数的方法。
二、实验原理
在模拟电子电路实验中,经常使用的电子仪器有示波器、函数信号发生器、直流稳压电源、交流毫伏表及频率计等。
它们和万用电表一起,可以完成对模拟电子电路的静态和动态工作情况的测试。
实验中要对各种电子仪器进行综合使用,可按照信号流向,以连线简捷,调节顺手,观察与读数方便等原则进行合理布局。
各仪器与被测实验装置之间的布局与连接如图1-1所示。
接线时应注意,为防止外界干扰,各仪器的公共接地端应连接在一起,称共地。
信号源和交流毫伏表的引线通常用屏蔽线或专用电缆线;示波器接线使用专用电缆线,即同轴电缆线;直流电源的接线用普通导线。
1.示波器
示波器是一种用途很广的电子测量仪器,它既能直接显示电信号的波形,又能对电信号进行各种参数的测量。
现着重指出下列几点:
(1)寻找扫描光迹:
将示波器Y轴显示方式置“Y1”或“Y2”,输入耦合方式置"GND"。
开机并预热后,若在显示屏上不出现光点和扫描基线,可按下列操作去找到扫描线:
①适当调节亮度旋钮。
②触发方式开关置“自动”。
③适当调节垂直(↑↓)、水平()“位移”旋钮,使扫描光迹位于屏幕中央。
若示波器设有“寻迹”按键,可按下“寻迹”按键,判断光迹偏移基线的方向。
(2)双踪示波器一般有5种显示方式,即“Y1”、“Y2”、“Y1+Y2”3种单踪显示方式和“交替”“断续”2种双踪显示方式。
“交替”显示一般适宜于输入信号频率较高时使用;“断续”显示一般适宜于输入信号频率较低时使用。
(3)为了显示稳定的被测信号波形,“触发源选择”开关一般选为“内”触发,使扫描触发信号取自示波器内部的Y通道。
(4)触发方式开关通常先置于“自动”位置,待调出波形后,若被显示的波形不稳定,可置触发方式开关于“常态”位置,通过调节“触发电平”旋钮找到合适的触发电压,使被测试的波形稳定地显示在示波器屏幕上。
有时,由于选择了较慢的扫描速率,显示屏上将会出现闪烁的光迹,但被测信号的波形不在X轴方向左右移动,这样的现象仍属于稳定显示。
(5)适当调节“扫描速率”开关及“Y轴灵敏度”开关,使屏幕上显示1—2个周期的被测信号波形。
在测量幅值时,应注意将“Y轴灵敏度微调”旋钮置于“校准”位置,即顺时针旋到底,且听到关的声音。
在测量周期时,应注意将“X轴扫速微调”旋钮置于“校准”位置,即顺时针旋到底,且听到关的声音。
还要注意“扩展”旋钮的位置及使用范围。
根据被测波形在屏幕坐标刻度上垂直方向所占的格数(div或cm)与“Y轴灵敏度”开关指示值(V/div)的乘积,即可算得信号幅值的实测值。
根据被测信号波形的一个周期在屏幕坐标刻度水平方向所占的格数(div或cm)与“扫速”开关指示值(t/div)的乘积,即可算得信号频率的实测值。
2.函数信号发生器
函数信号发生器按需要输出正弦波、方波、三角波3种信号波形。
输出电压最大可达峰—峰值20V。
通过输出衰减开关和输出幅度调节旋钮,可使输出电压在毫伏级到伏特级范围内连续调节。
函数信号发生器的输出信号频率可以通过频率分挡开关进行调节。
函数信号发生器作为信号源,它的输出端不允许短路。
3.交流毫伏表
交流毫伏表只能在其工作频率范围之内,用来测量正弦交流电压的有效值。
为了防止过载而损坏,测量前一般先把量程开关置于量程较大的位置上,然后在测量中逐挡减小量程。
三、实验设备与器件
(1)函数信号发生器;
(2)双踪示波器;
(3)交流毫伏表。
四、实验内容
1、用机内校正信号对示波器进行自检
(1)扫描基线调节:
将示波器的显示方式开关置于“单踪”显示(Y1或Y2),输入耦合方式开关置于"GND'’,触发方式开关置于“自动”。
开启电源开关后,调节“辉度”、“聚焦”、“辅助聚焦”等旋钮,使荧光屏上显示一条细而且亮度适中的扫描基线。
然后调节“X轴位移”(之)和“Y轴位移”(↑↓)旋钮,使扫描线位于屏幕中央,并且能上下左右移动自如。
(2)测试“校正信号”波形的幅度、频率:
将示波器的“校正信号”通过专用电缆线引入选定的Y通道(Y1或Y2),将Y轴输入耦合方式开关置于“AC"或“DC”,触发源选择开关置“内”,内触发源选择开关置“Y1”或"Y2”。
调节X轴“扫描速率”开关(t/div)和Y轴“输入灵敏度”开关(V/div),使示波器显示屏上显示出一个或数个周期稳定的方波信号。
①校准“校正信号”幅度
将“Y轴灵敏度微调”旋钮置于“校准”位置,“Y轴灵敏度”开关置于适当位置,读取校正信号幅度,记入表1-1中。
测试项目
标准值
实测值
幅度峰—峰值U/V
频率f/kHz
上升沿时间/μs
下降沿时间/μs
注意:
不同型号的示波器,其标准值有所不同,应按所使用示波器将标准值填入表格中。
②校准“校正信号”频率
将“扫速微调”旋钮置于“校准”位置,“扫速”开关置于适当位置,读取校正信号周期,记入表1-1中。
③测量“校正信号”的上升时间和下降时间
调节“Y轴灵敏度”开关及微调旋钮,并移动波形,使方波信号在垂直方向上正好占据中心轴上,且上、下对称,便于阅读。
通过扫速开关逐级提高扫描速度,使波形在X轴方向扩展(必要时可以利用“扫速扩展”开关将波形再扩展10倍),并同时调节触发电平旋钮,从显示屏上清楚地读出上升时间和下降时间,记入表l-1中。
2.用示波器和交流毫伏表测量信号参数
调节函数信号发生器有关旋钮,使输出频率分别为100Hz、1kHz、10kHz、100kHz,其有效值均为1V(交流毫伏表测量值)的正弦波信号。
改变示波器“扫速”开关及“Y轴灵敏度”开关等位置,测量信号源输出电压频率及峰—峰值,记入表1-2中。
表1-2
信号电压频率f/kHz
示波器测量值
信号电压
毫伏表读数/V
示波器测量值
周期T/ms
频率f/H2
峰—峰值/V
有效值U/v
0.1
1
10
100
3.测量两波形间的相位差
(1)观察双踪显示波形“交替”与“断续”两种显示方式的特点
Y1、Y2均不加输入信号,输入耦合方式置"GND'’,扫速开关置扫速较低挡位(如0.5s/div挡)或扫速较高挡位(如5μs/diV挡);把显示方式开关分别置“交替”和“断续”位置,观察两条扫描基线的显示特点,并记录之。
(2)用双踪显示测量两波形间的相位差
1按图1—2连接实验电路,将函数信号发生器的输出电压调至频率为1kHz,幅值为2V的正弦波;
图1-2两波形间相位差的测量电路
经RC移相网络获得频率相同但相位不同的两路信号ui和uR,分别加到双踪示波器的Y1和Y2的输入端。
为便于稳定波形,比较两波形相位差,应使内触发信号取自被设定的一路信号,而该信号作为测量基准。
②把显示方式开关置“交替”挡位,将Y1和Y2输入耦合方式开关置“上”挡位,调节Y1、Y2的(↑↓)移位旋钮,使两条扫描基线重合。
③将Y1、Y2输入耦合方式开关置“AC"挡位,调节触发电平、扫速开关及Y1、Y2灵敏度开关位置,使在荧光屏上显示出易于观察的两个相位不同的正弦波形ui及uR,如图1-3所示。
根据两波形在水平方向差距X,及信号周期XT,则可求得两波形相位差θ,即
图1—3双踪示波器显示两相位不同的正弦波
式中:
XT--一个周期所占格数;X——两个波形在X轴方向的差距格数。
记录两波形的相位差于表1-3中。
表1-3
一个周期格数
两个波形在X轴
上的差距格数
相位差
实测值
计算值
XT=
X=
θ=
θ=
为数读和计算方便,可适当调节扫速开关及微调旋钮,使波形的一周期只占整数格。
五、实验总结
(1)整理实验数据,并进行分析。
(2)问题的讨论:
①如何操作示波器的有关旋钮,以便从示波器显示屏上观察到稳定、清晰的波形?
②用双踪示波器显示波形,并要求比较相位时,为在显示屏上得到稳定波形,应怎样选择下列开关的位置:
a)显示方式选择(Y1、Y2、Y1+Y2、交替、断续);
b)触发方式(常态、自动);
c)触发源选择(内、外);
d)内触发源选择(Y1、Y2、交替)。
(3)函数信号发生器有哪几种输出波形?
它的输出端能否短接,如用屏蔽线作为输出引线,则屏蔽层一端应该接在哪个接线柱上?
(4)交流毫伏表是用来测量正弦波电压还是非正弦波电压?
它的表头指示值是被测信号的什么数值?
它是否可以用来测量直流电压的大小?
六、预习要求
(1)阅读实验附录1中有关示波器部分的内容。
(2)已知C=0.01μF、R=10k,计算图1-2中RC移相网络的阻抗角θ。
附录;常用电子仪器的基本原理和使用方法
电子技术实验中,常用的仪器仪表有示波器、低频信号发生器、数字电压表、
毫伏表、直流稳压电源及万用电表等。
它们的主要用途和相互关系如图1.1.1所示:
1.XD2B型低频信号发生器
(1)主要用途:
产生低频正弦波,为电子电路的测试提供信号。
(2)主要技术数据:
①输出电压:
0--5V(有效值)连续可调。
输出衰减:
粗调衰减分9挡,最大衰减为90db,细调可对两个粗调挡级间的输出电压进行连续调节。
②频率范围:
1Hz~1MHz
频段:
I--1Hz~10HzII--1OHz~100Hz
III--1OOHz~1kHzIV--1kHz~10kHz
V--1OkHz~100kHzⅥ--100kHz~1MHz
(3)面板图:
如右图所示
(4)使用方法:
①接通电源预热5分钟以上。
②频率选择:
根据实验所要求的频率,将“频率范围”旋至相应频段,再将“频率调节”的三个旋钮调至所需频率.
⑧输出电压幅度调节:
调节“输出衰减”和“输出细调’得到所需电压值.面板表头能指示0—5v(有效值)的输出电压。
实际电压数值可用电压表测量,也可按下式计算:
其中,Uo——实际输出值——表头示数A—一输出衰减分贝数
当A=0时,无衰减。
表头读数即为实际输出电压值;
当A=10时,衰减约3.16倍,输出电压为0-1.58V
当A=20时,衰减约10倍,输出电压为0--0.5V
当A=30时,衰减约31.6倍,输出电压为0-0.158V
当A=40时,衰减约100倍,输出电压为0-0.05V
④阻尼:
当输出信号频率低于10Hz时。
表头指针会产生抖动,此时应将“阻尼”开关置于“慢”的位置。
⑤仪器使用完毕,应将“输出细调”旋至最小,然后关闭电源。
2.SS—5702型双踪示波器
(1)主要用途:
观察直流及0~20MHz周期电压和电流波形。
测量信号的频率、周期、相位和幅度等。
(2)示波器的基本工作原理
通用示波器的结构包括垂直放大、水平放大、扫描、触发、示波管及电源等六个主要部分。
其结构方框图如图1.1.3所示。
示波器的主要部件是示波管,示波管主要由电子枪、偏转系统和荧光屏三个部分组成。
电子枪的作用是发射高速电子束;偏转系统控制电子束的运动方向;荧光屏显示撞击的轨迹。
其基本原理如下:
高速运动的电子束轰击荧光屏在荧光屏上形成光点。
如图1.1.4所示。
如果在电子束前进的方向上、下两侧放置平行平板,并在平行平板上施加直流电压,则电子束通过平行板间电场时,受电场力的作用,运动轨迹偏转,使光点位置产生垂直方向的变化。
如图1.1.5所示。
如果在平行平板上施加周期性变化信号(如正弦波),则电子束在垂直方向上的偏转角度随电场强度周期变化。
荧光屏上每一周期中光点位移不同。
但由于人眼的视觉暂留,看到的是一条竖直这亮线。
参见图1.1.6。
如果在水平方向上也放置一对平行板,并施加电压,则电子束便同时受到X轴和Y轴方向两个电场力作用。
荧光屏显示的是在X方向和Y方向合电场力作用下的光点运动轨迹。
若在X轴上施加的是周期等于或整数倍于Y轴信号的锯齿波电压(如图1.1.7)。
Y轴的周期电压信号则被展开,使我们看到这个信号的波形(如图1.1.8)。
这种用线性变化的电压(锯齿波)将被测信号波形展开(使光点在X轴方向移动)的作用叫扫描;调节锯齿波频率使之等于被测信号频率的1/N,或周期的N倍,从而得到稳定的被测波形的过程叫同步。
实现同步应满足:
或
在示波器中,经常用这样的办法来实现同步:
用Y轴输入的被测信去触发扫描发生器。
当这个输入信号达到一定电平时,自动产生一个锯波电压。
当这次锯齿波扫描结束后,扫描发生器处于等待下一次触发信的状态。
这种扫描方式叫做触发扫描。
(3)SS—5702双踪示波器面板各开关或旋钮的作用:
SS—5702双踪示波器面板图如图1.1.9所示,其中包括:
●基本开关和旋钮(位于SS—5702荧光屏的下部)
电源:
电源开关。
接通时指示灯亮。
辉度:
控制显示亮度。
聚焦:
供调节出最佳清晰度。
刻度照明:
控制刻度照明的亮度。
扫迹旋转:
机械地控制扫迹与水平刻度线成平行位置。
●通道开关和旋钮(位于SS—5702荧光屏的左侧)
①通道选择:
CH1CH2DUALADD
通道CH1:
仅显示通道1信号。
通道CH2:
仅显示通道2信号。
双踪DUAL:
同时显示两个通道信号。
相加ADD:
显示两个通道信号的代数和。
改变CH2“极性”开关可使显示为“CHl+CH2”或“CHl-CH2”
②通道调节(CH1和CH2的调节开关和旋钮,分别位于面板左侧的上、下部)通道输入:
Y轴的信号输入接口。
耦合方式选择:
AC--GND--DC。
AC:
信号经电容耦合输入到垂直放大器。
其直流成分被阻断,低频极限约为4Hz。
DC:
信号的所有成分都输入到垂直放大器。
GND:
信号从垂直放大器输入端断开且输入端接地。
输入信号不接地。
③垂直位移:
控制所显示波形的垂直位移。
此旋钮也可用作扩展灵敏度的推拉开关:
当拉出时,垂直输入的增益扩展为5倍。
伏特/格:
按1--2--5序列分11挡选择垂直偏转因数。
要获得校正的偏转因数,应将“微调”旋钮置于校正位置。
微调:
提供在“伏特/格”各挡位间连续可调的偏转因数。
极性:
用以转换CH2显示极性的开关。
当按下时极性反相。
●扫描控制开关和旋钮(位于SS--5702荧光屏的右侧)
水平位移:
控制显示的水平位移
扫描长度:
控制显示扫描长度的旋钮.也是控制显示扫描速度的椎拉开关。
时间/格:
以1--2--5顺序分18级选择扫描速度。
要得到校正的扫描速度,“微调”旋钮必须置于校正位置。
微调:
提供在“时间/格”各挡间连续可调的扫描速度。
电平/触发极性:
控制触发电子的旋钮。
该旋钮也是用于控制选择触发极性的推拉开关。
推入时为正向触发,拉出时为负向触发。
扫描方式:
用以选择以下扫描模式
AUTO:
自动触发扫描方式。
一般情况下,扫描方式置于AUTO。
NORM:
扫描可由在“耦合方式”开关确定的频率范围内的信号所触发。
当“电平”旋钮旋至触发范围以外或无触发信号加至触发电路时,扫描停止。
耦合方式;可以选择以下触发信号耦合方式
AC:
选择内触发方式时为交流耦合,选择外触发方式时为直流耦合。
TV--V:
这种耦合方式用于全电视信号的测试。
触发源:
CH1/CH2EXT
CH1/CH2:
置于这两个位置时为内触发。
EXT:
置于该位置时为外触发扫描。
触发信号从输入信号中取得。
校正输出:
该端输出幅度为0.3V,频率为1kHz的校正方波。
(4)SS--5702示波器的基本使用方法
①在示波器通电前,将以下控制旋钮置于下列位置:
垂直位移——中间位置水平位移——中间位置辉度——中间位置
垂直方式——CH1扫描方式——AUTO时间/格——1ms
扫描长度——顺时针旋到底
②接通“电源”开关,约15秒后出现扫迹,然后调节以下旋钮:
调节“垂直位移”旋钮,使扫迹移至荧光屏观测区域的中央。
调节“辉度”旋钮,使扫迹亮度适中。
调节“聚焦”旋钮,使扫迹纤细清晰,
③加入信号后调节下列控制旋钮置于以下位置:
垂直方式;CH1交流—地--直流(CH1)——DC伏特/格(CH1)—5V或10V
微调(CH1)—CAL触发源——CH1
然后接输入信号,按照信号幅度调节伏特/格旋钮,使波形幅度适中,不超过屏幕上下限:
调节电平旋钮,使被测波形稳定:
调节时间/格旋钮,使屏幕上显示测量所需的波形数。
(5)测量方法
①电压的测量
将“伏特/格微调”旋钮置于CAL位置就可以进行电压测量。
电压(V)=设定值(T/DIV)×输入信号显示幅度(格)
当用1:
10探头测量时,电压值相应×10
②时间的测量
将“时间/格微调”旋钮置于CAL位置就可以进行时间测量。
时间(s)=设定值(T/DIV)×对应被测时间长度(格)
实验一晶体管共射极单管放大电路
一、实验目的
(1)学会放大器静态工作点的调试方法,分析静态工作点对放大器性能的影响。
(2)掌握放大器电压放大倍数、输入电阻、输出电阻及最大不失真输出电压的测试方法。
(3)熟悉常用电子仪器及模拟电路实验设备的使用。
二、实验原理
图2-1为电阻分压式:
工作点稳定的共射极单管放大器实验电路图。
它的偏置电路采用RB1和RB2组成的分压电路,并在发射极中接有电阻RE,以稳定放大器的静态工作点。
当在放大器的输入端加入输入信号ui后,在放大器的输出端便可得到一个与ui相位相反、幅值被放大了的输出信号uo,从而实现了电压放大。
图2-1共射极单管放大器实验电路
在图2-1电路中,当流过偏置电阻RB1和RB2的电流远大于晶体管V的基极电流IB时(一般5-10倍),则其静态工作点可用下式估算
电压放大倍数
输入电阻
输出电阻
由于电子器件性能的分散性比较大,因此在设计和制作晶体管放大电路时,离不开测量和调试技术。
在设计前应测量所用元器件的参数,为电路设计提供必要的依据;在完成设计和装配以后,还必须测量和调试放大器的静态工作点和各项性能指标。
一个优质的放大器,必定是理论设计与实验调整相结合的产物。
因此,除了学习放大器的理论知识和设计方法外,还必须掌握必要的测量和调试技术。
放大器的测量和调试一般包括放大器静态工作点的测量与调试,消除干扰与自激振荡及放大器各项动态参数的测量与调试等。
1.放大器静态工作点的测量与调试
(1)静态工作点的测量
测量放大器的静态工作点,应在输入信号ui=0的情况下进行,即将放大器输入端与地端短接,然后选用量程合适的直流毫安表和直流电压表,分别测量晶体管的集电极电流Ic以及各电极对地的电位UB、Uc和UE。
一般实验中,为了避免断开集电极,所以采用测量电压UE或Uc,然后算出Ic的方法。
例如,只要测出UE,即可用Ic≈IE=UE/RE算出Ic,也可根据Ic=(Ucc-Uc)/Rc,由Uc确定Ic,同时也能算出UBE=UB-UE,UcE=Uc-UE。
为了减小误差,提高测量精度,应选用内阻较高的直流电压表。
(2)静态工作点的调试
放大器静态工作点的调试是指对管子集电极电流Ic(或UcE)的调整与测试。
静态工作点是否合适,对放大器的性能和输出波形都有很大影响。
如静态工作点偏高,放大器在加入交流信号以后易产生饱和失真,此时uo的负半周将被削底,如图2-2(a)所示;如静态工作点偏低则易产生截止失真,即uo的正半周被缩顶(一般截止失真不如饱和失真明显),如图2-2(b)所示。
这些情况都不符合不失真放大的要求。
所以,在选定工作点以后还必须进行动态调试,即在放大器的输入端加入一定的输入电压ui,检查输出电压uo的大小和波形是否满足要求。
如不满足,则应调节静态工作点的位置。
(a)静态工作点偏高(b)静态工作点偏低
图2—2静态工作点对uo波形失真的影响
改变电路参数Ucc、Rc和RB(RB1、RB2)都会引起静态工作点的变化,如图2-3所示。
但通常多采用调节偏置电阻RB2的方法来改变静态工作点,如减小RB2,则可使静态工作点提高等。
最后还要说明的是,上面所说的工作点“偏高”或“偏低”不是绝对的,应该是相对信号的幅度而言,如输入信号幅度很小,即使工作点较高或较低也不一定会出现失真。
所以确切地说,产生波形失真是信号幅度与静态工作点设置配合不当所致。
如需满足较大信号幅度的要求,静态工作点最好尽量靠近交流负载线的中点。
2.放大器动态指标测试
放大器动态指标包括电压放大倍数、输入电阻、输出电阻、最大不失真输出电压(动态范围)和通频带等。
(1)电压放大倍数Av的测量
调整放大器到合适的静态工作点,然后加入输入电压ui,在输出电压uo不失真的情况下,用交流毫伏表测出ui和uo的有效值Ui和Uo,则
(2)输入电阻Ri的测量
为了测量放大器的输入电阻,按图2-4所示电路在被测放大器的输入端与信号源之间串入一已知电阻Rs,在放大器正常工作的情况下,用交流毫伏表测出Us和Ui,则根据输入电阻的定义可得
测量时应注意下列几点:
①由于电阻Rs两端没有电路公共接地点,所以测量Rs两端电压UR时必须分别测出Us和Ui,然后按UR=Us-Ui求出UR值。
②电阻Rs的值不宜取得过大或过小,以免产生较大的测量误差;通常取Rs与Ri属同一数量级为好,本实验可取Rs=10~20k。
(3)输出电阻Ro的测量
按图2-4所示电路,在放大器正常工作条件下,测出输出端不接负载RL时的输出电压Uo和接入负载后的输出电压UL,根据
即可求出
图2-4输入、输出电阻的测量电路
在测试中应注意,必须保持RL接入前后输入信号的大小不变。
(4)最大不失真输出峰—峰电压Uopp的测量(最大动态范围)
如上所述,为了得到最大的动态范围,应将静态工作点调在交流负载线的中点。
为此在放大器正常工作情况下,逐步增大输入信号的幅度,并同时调节Rp(改变静态工作点),用示波器观察Uo。
当输出波形同时出现削底和缩顶现象(如图2-5)时,说明静态工作点已调在交流负载线的中点。
然后反复调整输入信号,使波形输出幅度最大,且无明显失真时,用交流毫伏表测出Uo(有效值),则动态范围等于2根号2U。
,或用示波器直接读出1Uop-p输出峰—峰值Uo。
(5)放大器幅频特性的测量
放大器的幅频特性是指放大器的电压放大倍数Av与输入信号频率f之间的关系曲线。
单管阻容耦合放大电路的幅频特性曲线如图2-6所示,Avm为中频电压放大倍数,通常规定电压放大倍数随频率变化下降到中频放大倍数的1/根号2倍,即0.707Avm所对应的频率分别称为下限频率fL和上限频率fH,则通频带
图2-5静态工作点正常,输入
信号太大引起的失真图2-6幅频特性曲线
放大器的幅频特性就是测量不同频率信号时的电压放大倍数Av。
为此,可采用前述测Av的方法,即每改变一个信号频率,测量其相应的电压放大倍数。
测量时应注意取点要恰当,在低频段与高频段应多测几点,在中频段可以少测几点。
此外,在改变频率时,要保持输入信号的幅度不变,且输出波形不得失真。
三、实验设备与器件
(1)+
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