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1、電了線路課程設(shè)計(jì)報(bào)告 姓名: 學(xué)號(hào): 專業(yè): 日期: 電子線路課程設(shè)計(jì)第3頁共17頁 1引言 本周我們電氣班的同學(xué)一起完成這個(gè)課程設(shè)計(jì), 設(shè)計(jì)并制作一個(gè)具有選頻特 性的簡易兩位數(shù)字式頻率計(jì)電路。 測量頻率的方法有很多種,其中電子計(jì)數(shù)器測量頻率具有精度高、使用方便、 測量迅速,以及便于實(shí)現(xiàn)測量過程自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn),是頻率測量的重要手段之一。 電子計(jì)數(shù)器測頻有兩種方式:一是直接測頻法,即在一定閘門時(shí)間內(nèi)測量被測信 號(hào)的脈沖個(gè)數(shù);二是間接測頻法,如周期測頻法。直接測頻法適用于高頻信號(hào)的 頻率測量,間接測頻法適用于低頻信號(hào)的頻率測量。數(shù)字頻率計(jì)是計(jì)算機(jī)、通訊 設(shè)備、音頻視頻等科研領(lǐng)域不可缺少的測量儀器。它

2、是一種用十進(jìn)制數(shù)字顯示被 測信號(hào)頻率的數(shù)字測量儀器。它的基本功能是測量正弦信號(hào),方波信號(hào)及其他各 種單位時(shí)間內(nèi)變化的物理量。在進(jìn)行模擬、數(shù)字電路的設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試過程中, 由于其使用十進(jìn)制數(shù)顯示,測量迅速,精確度高,顯示直觀,經(jīng)常要用到頻率計(jì)。 1. 1簡易數(shù)字式頻率計(jì)原理 1.1.1電子計(jì)數(shù)器測頻原理 周期性信號(hào)在單位時(shí)間內(nèi)重復(fù)出現(xiàn)的次數(shù),稱為電流/電壓的頻率 頻率計(jì)又稱為頻率計(jì)數(shù)器,是一種專門對信號(hào)頻率進(jìn)行測量的電子測 量儀器,不論頻率計(jì)技術(shù)指標(biāo)如何定義,其基本工作原理都類似,頻率測 量原理如圖3。 周期t 總時(shí)間T內(nèi) N次重復(fù) 圖3 頻率測量基本原理圖 No 若在一定的時(shí)間間隔T內(nèi)的計(jì)得

3、這個(gè)周期性信號(hào)的重復(fù)次數(shù)個(gè)為 時(shí),則被測信號(hào)的頻率F為: F = No/T 式中:F為頻率,單位為Hz。No為計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)值,計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)定時(shí)時(shí)間為 T 一般的數(shù)字式頻率計(jì)主要由四個(gè)部分構(gòu)成:輸入電路、閘門電路,計(jì) 數(shù)顯示電路和控制電路,頻率和周期測量原理框圖如圖4。 圖4頻率和周期測量原理方框圖 在一個(gè)頻率測量的周期過程中,被測頻率信號(hào)在輸入電路中經(jīng)過放大、 濾波和整形、形成特定的被測脈沖,送到主門的一個(gè)輸入端。主門的另外 一個(gè)輸入端為時(shí)基電路產(chǎn)生電路產(chǎn)生的閘門脈沖(定時(shí)計(jì)數(shù)信號(hào))。在閘門 脈沖開啟主門的期間,特定的被測脈沖才能通過主門,從而進(jìn)入計(jì)數(shù)器進(jìn) 行計(jì)數(shù),計(jì)數(shù)器的顯示電路則用來顯示被測信

4、號(hào)的頻率值,內(nèi)部控制電路 則用來完成各種測量功能之間的切換并實(shí)現(xiàn)測量設(shè)置。 1.1.2周期測量原理 周期測量原理框圖如圖4,脈沖寬度測量計(jì)算公式: T =No*To 式中:T為被測脈沖寬度,單位為s,To為時(shí)標(biāo),No為計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)值。 1.1.3簡易數(shù)字式頻率計(jì)方框圖 簡易數(shù)字式頻率計(jì)方框圖如圖5。 圖5簡易數(shù)字式頻率計(jì)方框圖 電子線路課程設(shè)計(jì)第12頁共17頁 2 主要技術(shù)指標(biāo)和要求 2.2.1 主要技術(shù)指標(biāo) 頻率計(jì)電路的輸入信號(hào)為正弦信號(hào): 頻率: 1Hz10KHz, 幅度:峰 - 峰值 300mV。 輸入信號(hào)整形電路: (1) 設(shè)計(jì)一個(gè)電壓放大器, 增益 510 倍可調(diào)。 ( 2)設(shè)計(jì)一個(gè)電

5、壓比較器,參考端基準(zhǔn)電壓為 1.0V 左右。 (3)設(shè)計(jì)一個(gè)中心頻率為200Hz1KHz的有源帶通濾波器,使計(jì)數(shù)器能夠?qū)?頻率通帶內(nèi)的信號(hào)進(jìn)行正常計(jì)數(shù),其余則不計(jì)數(shù)。 計(jì)數(shù)器電路: (1) 設(shè)計(jì)一個(gè) 2位的十進(jìn)計(jì)數(shù)器、譯碼驅(qū)動(dòng)和顯示電路。 ( 2)要求頻率計(jì)具有自動(dòng)測頻、自動(dòng)清零、數(shù)據(jù)顯示和數(shù)據(jù)保持功能。 2.2.2 發(fā)揮部分 (1) 頻率計(jì)電路要求具有較高的抗干擾性能(采用TLP521光耦隔離器)。. ( 2)頻率計(jì)具有 A、B 雙通道自動(dòng)測頻、數(shù)據(jù)顯示和數(shù)據(jù)保持功能。 (3)頻率計(jì)實(shí)現(xiàn)A、B通道號(hào)的顯示。 2.2.3 實(shí)物要求 根據(jù)頻率計(jì)測頻原理, 結(jié)合模電和數(shù)電的基礎(chǔ)理論知識(shí), 完成對簡

6、易數(shù)字式 頻率計(jì)方案和電路設(shè)計(jì)和仿真,并在面包板上完成連接、裝配、調(diào)試和演示。 2.2.4 實(shí)驗(yàn)儀器 示波器: TDO2022A 功率函數(shù)信號(hào)發(fā)生器: SP1631A 三路穩(wěn)壓電源: MPS-3003L-3 萬用表: UNI-T 2.2.5 主要器件及典型電路形式 ( 1 )本次課程設(shè)計(jì)用器件介紹 : 74LS00 、 74LS04、 74LS20、 74LS32、 74LS160 、 74LS47、 74LS123 、 74LS74 、 74HCT573、CD4020、LM339、TLP521、OP07、LM324、七段 LED 數(shù)碼管、 發(fā)光二極管、開關(guān)二極管、三極管等。 (2) 典型數(shù)字

7、電路形式: 十進(jìn)計(jì)數(shù)器、譯器顯示及驅(qū)動(dòng)電路 、邏輯控制電路、比較器、分頻器、光 電隔離器、時(shí)基信號(hào)發(fā)生器、單穩(wěn)態(tài)信號(hào)發(fā)生器。 (3) 典型模擬電路形式: 放大器、跟隨器、二階有源帶通濾波器。 集成運(yùn)放電路均采用土 5V供電。 2電子線路課程設(shè)計(jì)內(nèi)容 2.1簡易數(shù)字式頻率計(jì)電路設(shè)計(jì) 簡易數(shù)字式頻率計(jì)電原理圖如圖 6。 圖6簡易頻率計(jì)電原理圖 2.1.2電路工作原理 如圖6,本設(shè)計(jì)主要包括電壓放大電路、有源帶通濾波電路、整形電路、計(jì) 數(shù)、譯碼驅(qū)動(dòng)電路和邏輯控制電路等。 (1)被測正弦波信號(hào)通過放大器放大,有源帶通濾波器濾波,電壓比較器整形 后,如果被測信號(hào)頻率落在濾波器通帶內(nèi),頻率計(jì)進(jìn)行測頻,否則

8、頻率計(jì)不測頻。 (2)由LM555產(chǎn)生周期約2s的時(shí)基信號(hào),是頻率計(jì)的主要工作時(shí)序,在該信號(hào) 的一個(gè)周期的時(shí)間內(nèi),頻率計(jì)可以完成清零,計(jì)數(shù)、顯示和計(jì)數(shù)結(jié)果保持,在下 一周期時(shí)重復(fù)上述過程。簡易頻率計(jì)工作波形示意圖如圖7. _j1f1 余U U M 1 1 圖7 簡易頻率計(jì)工作波形示意圖 (3) 用LM555時(shí)基信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的周期信號(hào)的上升沿,觸發(fā)由74LS123電路 構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)發(fā)生器1,產(chǎn)生對計(jì)數(shù)器清零的脈沖信號(hào),使計(jì)數(shù)器在工作前歸零, 該脈沖信號(hào)的寬度一般約1ms左右,由該單穩(wěn)態(tài)電路的RC參數(shù)值決定。 (4)計(jì)數(shù)器清零后,需要一個(gè)定時(shí)脈沖信號(hào)控制計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù),可用清零脈沖 信號(hào)的下降沿,

9、觸發(fā)另一個(gè)單穩(wěn)電路 2,從而產(chǎn)生一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的1s定時(shí)計(jì)數(shù)脈沖。 在該定時(shí)計(jì)數(shù)脈沖的持續(xù)時(shí)間內(nèi),計(jì)數(shù)器可以計(jì)數(shù),頻率計(jì)完成對輸入被測信號(hào) 的測頻。定時(shí)計(jì)數(shù)脈沖的寬度為1s左右,由單穩(wěn)態(tài)電路2的RC參數(shù)值決定。 (5)二級(jí)十進(jìn)計(jì)數(shù)器電路由兩個(gè) 74LS160組成,譯碼驅(qū)動(dòng)與顯示電路由 74LS47 和七段共陽數(shù)碼管組成。 3單元電路設(shè)計(jì)、元件和參數(shù)選擇 3.1 單元電路設(shè)計(jì) 3.1.1 放大器、有源帶通濾波器和電壓比較器設(shè)計(jì) (1)放大器設(shè)計(jì) 以驅(qū)動(dòng)后面的 該放大器可以把技術(shù)指標(biāo)規(guī)定的輸入信號(hào)放大到足夠的電平, 電壓比較器,放大器可采用 OP07集成運(yùn)放,如圖8所示。 IU 圖8由OP07構(gòu)成的放大

10、器電路 (2) 帶通濾波器設(shè)計(jì) 帶通濾波電路的設(shè)計(jì)中心頻率為 1KHz左右,通帶寬度BW=100H左右 巴特沃斯濾波器: 特點(diǎn)是帶內(nèi)帶外最佳平穩(wěn),但低階的過度帶比較寬。 切比雪夫?yàn)V 可以很窄,但帶 嚴(yán)重。 典型的有源 波器:特點(diǎn)是過度帶 內(nèi)帶外幅頻震蕩比較 帶通濾波器電路如圖 心頻率和帶寬的調(diào)整: 心頻率和帶寬主要是 由濾波器中RC元件參數(shù)確定,通??上冗x定電容器 C值,再調(diào)節(jié)電阻阻值, 9。帶通濾波器中 帶通濾波器的中 般可采用電位器調(diào)節(jié)。帶通濾波器采用集成運(yùn)放OP07 圖9 典型的有源帶通濾波器電路 (3) 比較器設(shè)計(jì) 比較器電路如圖10,電壓比較器的主要作用是把輸入模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字 信

11、號(hào),使計(jì)數(shù)器可以對輸入信號(hào)正確計(jì)數(shù), 電壓比較器參考端的基準(zhǔn)電壓調(diào)整為 1.0V左右,當(dāng)輸入端電壓大于參考端電壓時(shí),該比較器電路實(shí)現(xiàn)翻轉(zhuǎn),完成對 輸入信號(hào)的整形。電壓比較器可采用LM339該芯片中含四個(gè)獨(dú)立的比較器電路, 由于其輸出端為集電極開路,必須外接 4K7上拉電阻才可正常工作。 模電部分 3.1.2時(shí)基電路設(shè)計(jì) 時(shí)基信號(hào)電路主要采用NE555集成電路,時(shí)基信號(hào)周期不小于 3秒左右, 555時(shí)基信號(hào)電路及工作波形圖如圖11。 圖11 555時(shí)基信號(hào)產(chǎn)生電路及工作波形圖 3.1.3 計(jì)數(shù)器及譯碼驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) 計(jì)數(shù)器、譯碼驅(qū)動(dòng)和顯示電路可分別采用 74LS160 74LS47和LED七段 共

12、陽數(shù)碼管。74LS47譯碼驅(qū)動(dòng)的輸出是低電平有效,由 74LS160組成的十進(jìn) 計(jì)數(shù)器電路如圖12。 I 1 1 L 1. 口:碣磯耳 6 q 4 q 74_5ixn) ?4LSE60t It 兀 6 Pi Q 禺 cii I D 門企礎(chǔ)$ I T 丨!I 圖12由74LS160組成的十進(jìn)計(jì)數(shù)器電路 3.1.4計(jì)數(shù)器清零和計(jì)數(shù)定時(shí)信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì) 計(jì)數(shù)器清零和定時(shí)計(jì)數(shù)信號(hào)電路均采用74LS123單穩(wěn)態(tài)電路構(gòu)成,74LS123 內(nèi)部含兩個(gè)獨(dú)立的單穩(wěn)態(tài)電路,圖 13為由74LS123單穩(wěn)態(tài)電路構(gòu)成的定時(shí)計(jì)數(shù) 和計(jì)數(shù)器清零電路,在該電路中,通常是固定Ct,調(diào)整電路中的Rt值,可以得 到不同脈寬的輸出信

13、號(hào)。 -BL W 23單穩(wěn)態(tài)電 744th JU T kL 2尸科 A2 u m jtx -wx nr a- hh li , IVIUHU JIDLC_ir I PEL GNO 555L1 Tim w- wc :數(shù)電部分 -a; *74L r kHi I A 數(shù)和計(jì)數(shù)器清零 .L 1.80d R1 32 UCC 口 GUO D 3SEKT3J TCC Q ar/cr cz w u fAELE VIRTLlA 74IL.S16CH an kq m tix. I 4 p.uijir 3.1.5電路設(shè)計(jì)參考布局圖 電路設(shè)計(jì)完畢,在面包板上搭接電路之前,首先要考慮本設(shè)計(jì)信號(hào)的基本走 向和各元器件在面包

14、板上的相應(yīng)位置,合理的元器件布局可以方便聯(lián)線和電路調(diào) 試,面包板上頻率計(jì)電路的元器件布局設(shè)計(jì)參考如圖 16。 iJh m碼 wr MhT* 圖16電路設(shè)計(jì)參考布局圖 4仿真結(jié)果 數(shù)電部分 T J II1 I.?. JT 11 1Jf 1 1 1 1 1 j V 1 5功能與測試結(jié)果 一個(gè)星期的電路實(shí)踐,我們進(jìn)行了電路的設(shè)計(jì),軟件的仿真,最后在面包板 電子線路課程設(shè)計(jì)第14頁 共 17 頁 上撘接線路并檢驗(yàn)結(jié)果。 我設(shè)定的調(diào)試與測試放大器部分把初始波形放大 6 倍左右,由于高低通電路 對信號(hào)有削弱作用, 因此濾波器出來的正弦波縮小了 3倍左右,經(jīng)過比較器, 通 過設(shè)定合理的基準(zhǔn)電壓后, 最后形成

15、了方波。 剛開始有些失真, 經(jīng)過調(diào)試就沒問 題了。經(jīng)過 555的周期為 2 秒,清零為 2 毫秒,定時(shí)為 1秒,保持的時(shí)間差不多 在一秒左右。整個(gè)電路實(shí)現(xiàn)了頻率計(jì)的功能。 6 安裝與調(diào)試中發(fā)現(xiàn)的問題、故障排除方法及改進(jìn)措施 為簡化和方便整體電路的調(diào)試工作, 可根據(jù)每一個(gè)單元電路的技術(shù)要求進(jìn)行 相對獨(dú)立的調(diào)試,每部分電路工作正常后,再進(jìn)行其它電路的調(diào)試工作。 6.1 調(diào)試前注意事項(xiàng) 在電路調(diào)試之前要注意以下事項(xiàng): (1)檢查芯片位置方向,檢查芯片電源和地連線正確。 (2)檢查各芯片和器件的連接線是否正確。 (3)檢查LED數(shù)碼管各個(gè)管腳連線是否正確。 ( 4)放大器和濾波器電路采用 5V 供電,

16、數(shù)字電路電壓為 +5V。 6.2 出現(xiàn)的問題 在安裝和調(diào)試過程中遇到了一些問題: 第一:剛開始整個(gè)布局是根據(jù)老師的課件設(shè)計(jì)的, 但是在搭線的過程中還是 出現(xiàn)飛線情況。 第二:在用電壓時(shí),要先調(diào)好再接入,否則電壓過大會(huì)燒壞器件。 第三:在測試時(shí)示波器上的方波出現(xiàn)了相移,最后將一個(gè) 15KQ拿掉之后, 相移消失了。調(diào)試過程也出現(xiàn)了失真,最后經(jīng)過修改電阻大小得以解決。 第四:在測試74LS123上的清零和定時(shí)時(shí)間時(shí),定時(shí)時(shí)間太短,不足一秒, 于是將電容換成了大電容,電阻也換了個(gè)大電阻解決了問題。 第五:在老師的提醒下,兩個(gè)數(shù)碼管接了外接電阻。 第六:在調(diào)試過程中, 常不出現(xiàn)波形, 主要是元器件的引腳

17、要根據(jù)實(shí)際情況 連接,注意接地和接高電壓 結(jié)論 這次實(shí)踐,我們設(shè)計(jì)并制作一個(gè)具有選頻特性的簡易兩位數(shù)字式頻率計(jì)電 路。首先在 Multisim 軟件中,利用一系列芯片仿真模擬,驗(yàn)證了頻率計(jì)的工作 特點(diǎn)。后半段時(shí)間, 在安裝和調(diào)試的過程中我通過實(shí)際的操作更加理解了數(shù)電模 電,兩者結(jié)合, 也鍛煉了我們的動(dòng)手能力。 因此讓我更加堅(jiān)信理論學(xué)習(xí)永遠(yuǎn)離不 開實(shí)際的操作。 本次電路設(shè)計(jì)不但讓我知道了如何搭頻率計(jì), 用面包板, 也讓我 知道了它的工作原理以及里面各個(gè)芯片的工作特性, 電子線路設(shè)計(jì)給我們上了生 動(dòng)的一課。 參考文獻(xiàn) 1 謝自美. 電子線路綜合設(shè)計(jì) . 武漢: 華中科技大學(xué)出版社 . 2006 2

18、 郭勇. 余小平. 電子系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì) . 北京: 北京大學(xué)出版社 . 2007 3 蔣立平. 數(shù)字邏輯電路與系統(tǒng)設(shè)計(jì) . 北京: 北京電子工業(yè)出版社 . 2008 4 高吉祥 . 電子技術(shù)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)與課程設(shè)計(jì) . (2 版). 北京 : 電子工業(yè)出版社 2005 5 謝自美 . 電子線路設(shè)計(jì) . 實(shí)驗(yàn)測試(第二版)武漢:華中科技大學(xué)出版社 2000 6 胡宴如. 耿蘇燕. 模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)北京:高等教育出版社 . 2003 附錄 元器件引腳圖,真值表 OP07 電子線路課程設(shè)計(jì)第19頁共17頁 OP07的功能介紹:OP07芯片是一種低噪聲,非斬波穩(wěn)零的雙極性運(yùn)算放大器集成電路。由于 OP07具有

19、非常低的輸入失調(diào)電壓(對于 OP07A最大為25訓(xùn)),所以O(shè)P07在很多應(yīng)用場合 不需要額外的調(diào)零措施。OP07同時(shí)具有輸入偏置電流低(OP07A為2nA )和開環(huán)增益高(對 OP07特別適用于高增 于OP07A為300V/mV)的特點(diǎn),這種低失調(diào)、高開環(huán)增益的特性使得 益的測量設(shè)備和放大傳感器的微弱信號(hào)等方面。 Offset Null 1 12 3 4 Offset Null 2 了 Vcc* 6 Output N.C. L匸匚 Inerting Input Non-tndmg Input LM339是四電壓比較器集成電路。 該電路的特點(diǎn)如下: 工作電源電壓范圍寬,單電源、雙電源均可工作,

20、單電源:236V,雙電源:土 1土 18V ; 消耗電流小,lcc=1.3mA ; 輸入失調(diào)電壓小,VIO= 土 2mV ; 共模輸入電壓范圍寬,Vic=0VCC-1.5V ; 輸出與TTL,DTL,MOS,CMOS等兼容; 輸出可以用開路集電極連接“或”門; 采用雙列直插14腳塑料封裝(DIP14 )和微形的雙列14腳塑料封裝(SOP14) LM339類似于增益不可調(diào)的運(yùn)算放大器。每個(gè)比較器有兩個(gè)輸入端和一個(gè)輸出端。兩個(gè)輸 入端一個(gè)稱為同相輸入端,用“ +表示,另一個(gè)稱為反相輸入端,用-“表示。用作比較兩個(gè) 電壓時(shí),任意一個(gè)輸入端加一個(gè)固定電壓做參考電壓(也稱為門限電平,它可選擇LM339

21、輸入共模范圍的任何一點(diǎn)),另一端加一個(gè)待比較的信號(hào)電壓。當(dāng)“ +”電壓高于-“端時(shí),輸 出管截止,相當(dāng)于輸出端開路。當(dāng)-“端電壓高于“ +”時(shí),輸出管飽和,相當(dāng)于輸出端接低 電位。兩個(gè)輸入端電壓差別大于10mV就能確保輸出能從一種狀態(tài)可靠地轉(zhuǎn)換到另一種狀 態(tài),因此,把LM339用在弱信號(hào)檢測等場合是比較理想的。LM339的輸出端相當(dāng)于一只不 接集電極電阻的晶體三極管,在使用時(shí)輸出端到正電源一般須接一只電阻(稱為上拉電阻, 選3-15K )。選不同阻值的上拉電阻會(huì)影響輸出端高電位的值。因?yàn)楫?dāng)輸出晶體三極管截止 時(shí),它的集電極電壓基本上取決于上拉電阻與負(fù)載的值。 C utput 2 C utput

22、l Iiverttig lip ut 1 N on-diverting ipu.t 1 liverttig iput2 N cntLveitiig 14 Qutput3 13 Output 4 12 Hon Jawniig iput4 3 0 Iiveithu iiput4 9 N on -rv itti g iyput 3 y iveitig iiput3 www, Dz:3w Cou NE555 NE555是屬于555系列的計(jì)時(shí)IC的其中的一種型號(hào),555系列IC的接腳功能及 運(yùn)用都是相容的,只是型號(hào)不同的因其價(jià)格不同其穩(wěn)定度、省電、可產(chǎn)生的振蕩 頻率也不大相同;而555是一個(gè)用途很廣且相

23、當(dāng)普遍的計(jì)時(shí)IC,只需少數(shù)的電 阻和電容,便可產(chǎn)生數(shù)位電路所需的各種不同頻率之脈沖信號(hào)。 1- Ground 2- Trigger Output 4- R.eset 5_ Control Vokage 6- Ttlreshold Discharge B_ Vrc(4) fo Tonyvin Hwn Ground Trigger Output Reset Vec Discharge Th re shold Control fig. 2 8-pin v package fig. 1. B-pin T package NE555引腳位功能配置說明下: 圖1-2 NE555各腳功能-管腳圖 Pin 1 (接地)-地線(或共同接地),通常被連接到電路共同接地。 Pin 2 (觸發(fā)點(diǎn))-這個(gè)腳位是觸發(fā)NE555使其啟動(dòng)它的時(shí)間周期。觸發(fā)信號(hào)上緣 電壓須大于2/3 VCC,下緣須低于1/3 VCC。 Pin 3 (輸出)-當(dāng)時(shí)間周期開始555的輸出輸出腳位,移至比電源電壓少 1.7 伏的高電位。周期的結(jié)束輸出回

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