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文檔簡介
1、真誠為您提供優(yōu)質(zhì)參考資料,若有不當(dāng)之處,請(qǐng)指正。電路的暫態(tài)過程在實(shí)際工程中的應(yīng)用實(shí)例。1.汽車點(diǎn)火系統(tǒng)汽車點(diǎn)火電路時(shí)給予RLC電路暫態(tài)響應(yīng)的原理工作的。在點(diǎn)火電路中,通過開關(guān)的動(dòng)作使電感線圈中產(chǎn)生一個(gè)快速變化的電流,電感線圈通常稱作點(diǎn)火線圈,點(diǎn)火線圈有兩個(gè)串聯(lián)的磁耦合線圈著稱,又稱為自耦合變壓器,其中與電池相連的線圈稱作初級(jí)線圈,與火花塞相連的線圈成為次級(jí)線圈。初級(jí)線圈上電流的快速變化通過磁耦合(互感)使次級(jí)線圈上產(chǎn)生一個(gè)高電壓,其峰值可達(dá)到2040kV,這一高壓將在火花塞的間隙間產(chǎn)生一個(gè)電火花,從而點(diǎn)燃?xì)飧字械挠蜌饣旌衔?。如圖所示,此為簡化電路圖。2.文氏橋和運(yùn)放構(gòu)成的正弦波振蕩器文氏橋正弦
2、波振蕩器是一種經(jīng)典式RC振蕩器,它在低頻范圍內(nèi)有著廣泛的用途。在新器件不斷出現(xiàn)的今天,從理論和實(shí)踐上再來探討它,對(duì)其發(fā)展和應(yīng)用是有益的。1理論分析文氏橋正弦波振蕩器的基本形式如圖1所示,它有反饋網(wǎng)絡(luò)和放大器兩部分組成。在大連水產(chǎn)學(xué)院學(xué)報(bào)第8卷用晶體管構(gòu)成放大器時(shí)需要二級(jí),而采用新型器件集成運(yùn)算放大器,只需要一級(jí),用一個(gè)運(yùn)放就可以滿足正反饋的要求。選頻網(wǎng)絡(luò)在文氏橋振蕩器中,反饋網(wǎng)絡(luò)由選頻網(wǎng)絡(luò)承擔(dān)。它的主要作用是只讓單一頻率滿足振蕩條件,以產(chǎn)生單一頻率正弦波。選頻網(wǎng)絡(luò)由兩個(gè)電阻Rl、RZ和兩個(gè)電容器C,、cZ構(gòu)成,其聯(lián)接形式可以有圖2所示的三種形式圖l文氏橋振蕩器的組成圖2選頻網(wǎng)絡(luò)的3種聯(lián)接形式通
3、常為了方便,使Rl一RZ1十SCRsC一R,C、一CZ一C。文氏橋正弦波振蕩器主要用于測量、遙控、通信、自動(dòng)控制、熱處理和超聲波電焊等加工設(shè)備之中,也作為模擬電子電路的測試信號(hào)。例如函數(shù)信號(hào)發(fā)生器,數(shù)控等。3.二階低通濾波器任何高階濾波器都可由一階和二階濾波器級(jí)聯(lián)而成。對(duì)于N階為偶數(shù)的高階濾波器,可以由N/2節(jié)二階濾波器級(jí)聯(lián)而成;而N為奇數(shù)的高階濾波器可以由(N-1)/2節(jié)二階濾波器和一節(jié)一階濾波器級(jí)聯(lián)而成,因此一階濾波器和二階濾波器是高階濾波器的基礎(chǔ)??墒请y度也會(huì)越加困難。一個(gè)理想的濾波器應(yīng)該有一個(gè)完全平坦的通帶,例如在通帶內(nèi)沒有增益或者衰減,并且在通帶之外所有頻率都被完全衰減掉,另外,通帶
4、外的轉(zhuǎn)換在極小的頻率范圍完成。實(shí)際上,并不存在理想的帶通濾波器。濾波器并不能夠?qū)⑵谕l率范圍外的所有頻率完全衰減掉,尤其是在所要的通帶外還有一個(gè)被衰減但是沒有被隔離的范圍。這通常稱為濾波器的滾降現(xiàn)象,并且使用每十倍頻的衰減幅度dB來表示。通常,濾波器的設(shè)計(jì)盡量保證滾降范圍越窄越好,這樣濾波器的性能就與設(shè)計(jì)更加接近。然而,隨著滾降范圍越來越小,通帶就變得不再平坦開始出現(xiàn)“波紋”。這種現(xiàn)象在通帶的邊緣處尤其明顯,這種效應(yīng)稱為吉布斯現(xiàn)象。除了電子學(xué)和信號(hào)處理領(lǐng)域之外,帶通濾波器應(yīng)用的一個(gè)例子是在大氣科學(xué)領(lǐng)域,很常見的例子是使用帶通濾波器過濾最近3到10天時(shí)間范圍內(nèi)的天氣數(shù)據(jù),這樣在數(shù)據(jù)域中就只保留了
5、作為擾動(dòng)的氣旋。在頻帶較低的剪切頻率f1和較高的剪切頻率f2之間是共振頻率,這里濾波器的增益最大,濾波器的帶寬就是f2和f1之間的差值。二階低通濾波器“經(jīng)過全橋整流”,顯然是想得到直流電壓。經(jīng)過二階低通濾波器目的是濾波,使得到的直流電壓更平直,更理想。否則輸出是像你說的海浪形。不是要得到有效值。直流的有效值即使它本身。正弦信號(hào)的有效值要用單片機(jī)之類的處理器采樣計(jì)算才能得到電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化技術(shù)及其影響1. Multisim是美國國家儀器(NI)有限公司推出的以Windows為基礎(chǔ)的仿真工具,適用于板級(jí)的模擬/數(shù)字電路板的設(shè)計(jì)工作。它包含了電路原理圖的圖形輸入、電路硬件描述語言輸入方式,具有豐富的仿
6、真分析能力。2. iCircuit是一款電路仿真設(shè)計(jì)程序。其先進(jìn)的模擬引擎可以處理模擬和數(shù)字電路,并提供強(qiáng)大的實(shí)時(shí)分析的功能。3. PCB抄板軟件,是利用逆向反工程技術(shù)來提取電路板的PCB文件,然后根據(jù)pcb文件逆向原理圖文件,BOM文件。從而達(dá)到完整的反向克隆出一套一模一樣的電路板4. PowerPCB與PowerLogic系列軟件是由美國Mentor Graphics公司主推的電路設(shè)計(jì)自動(dòng)化軟件,也是目前在電子工程領(lǐng)域內(nèi)使用最廣泛、性能最優(yōu)秀的EDA軟件之一。EDA工具軟件可大致可分為芯片設(shè)計(jì)輔助軟件、可編程芯片輔助設(shè)計(jì)軟件、系統(tǒng)設(shè)計(jì)輔助軟件等三類。目前進(jìn)入我國并具有廣泛影響的EDA軟件是
7、系統(tǒng)設(shè)計(jì)輔助類軟件和可編程芯片輔助設(shè)計(jì)軟件:Protel、Altium Designer、PSPICE、multisim12(原EWB的最新版本)、OrCAD、PCAD、LSIIogic、MicroSim、ISE、modelsim、Matlab等等。這些工具都有較強(qiáng)的功能,一般可用于幾個(gè)方面,例如很多軟件都可以進(jìn)行電路設(shè)計(jì)與仿真,同時(shí)還可以進(jìn)行PCB自動(dòng)布局布線,可輸出多種網(wǎng)表文件與第三方軟件接口。下面按主要功能或主要應(yīng)用場合,分為電路設(shè)計(jì)與仿真工具、PCB設(shè)計(jì)軟件、IC設(shè)計(jì)軟件、PLD設(shè)計(jì)工具及其它EDA軟件,進(jìn)行簡單介紹。3.1 電子電路設(shè)計(jì)與仿真工具電子電路設(shè)計(jì)與仿真工具包括SPICE/
8、PSPICE;multiSIM7;Matlab;SystemView;MMICAD LiveWire、Edison、Tina Pro Bright Spark等。下面簡單介紹前三個(gè)軟件。SPICE(Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis):是由美國加州大學(xué)推出的電路分析仿真軟件,是20世紀(jì)80年代世界上應(yīng)用最廣的電路設(shè)計(jì)軟件,1998年被定為美國國家標(biāo)準(zhǔn)。1984年,美國MicroSim公司推出了基于SPICE的微機(jī)版PSPICE(Personal-SPICE)?,F(xiàn)在用得較多的是PSPICE6.2,可以說在同類產(chǎn)品中,它是功能最為
9、強(qiáng)大的模擬和數(shù)字電路混合仿真EDA軟件,在國內(nèi)普遍使用。最新推出了PSPICE9.1版本。它可以進(jìn)行各種各樣的電路仿真、激勵(lì)建立、溫度與噪聲分析、模擬控制、波形輸出、數(shù)據(jù)輸出、并在同一窗口內(nèi)同時(shí)顯示模擬與數(shù)字的仿真結(jié)果。無論對(duì)哪種器件哪些電路進(jìn)行仿真,都可以得到精確的仿真結(jié)果,并可以自行建立元器件及元器件庫。multiSIM(EWB的最新版本)軟件:是Interactive Image Technologies Ltd在20世紀(jì)末推出的電路仿真軟件。其最新版本為multiSIM13,目前普遍使用的是multiSIM2001,相對(duì)于其它EDA軟件,它具有更加形象直觀的人機(jī)交互界面,特別是其儀器儀
10、表庫中的各儀器儀表與操作真實(shí)實(shí)驗(yàn)中的實(shí)際儀器儀表完全沒有兩樣,但它對(duì)模數(shù)電路的混合仿真功能卻毫不遜色,幾乎能夠100%地仿真出真實(shí)電路的結(jié)果,并且它在儀器儀表庫中還提供了萬用表、信號(hào)發(fā)生器、瓦特表、雙蹤示波器(對(duì)于multiSIM7還具有四蹤示波器)、波特儀(相當(dāng)實(shí)際中的掃頻儀)、字信號(hào)發(fā)生器、邏輯分析儀、邏輯轉(zhuǎn)換儀、失真度分析儀、頻譜分析儀、網(wǎng)絡(luò)分析儀和電壓表及電流表等儀器儀表。還提供了我們?nèi)粘3R姷母鞣N建模精確的元器件,比如電阻、電容、電感、三極管、二極管、繼電器、可控硅、數(shù)碼管等等。模擬集成電路方面有各種運(yùn)算放大器、其他常用集成電路。數(shù)字電路方面有74系列集成電路、4000系列集成電路、
11、等等還支持自制元器件。MultiSIM7還具有I-V分析儀(相當(dāng)于真實(shí)環(huán)境中的晶體管特性圖示儀)和Agilent信號(hào)發(fā)生器、Agilent萬用表、Agilent示波器和動(dòng)態(tài)邏輯平筆等。同時(shí)它還能進(jìn)行VHDL仿真和Verilog HDL仿真。MATLAB產(chǎn)品族:它們的一大特性是有眾多的面向具體應(yīng)用的工具箱和仿真塊,包含了完整的函數(shù)集用來對(duì)圖像信號(hào)處理、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等特殊應(yīng)用進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)。它具有數(shù)據(jù)采集、報(bào)告生成和MATLAB語言編程產(chǎn)生獨(dú)立C/C+代碼等功能。MATLAB產(chǎn)品族具有下列功能:數(shù)據(jù)分析;數(shù)值和符號(hào)計(jì)算、工程與科學(xué)繪圖;控制系統(tǒng)設(shè)計(jì);數(shù)字圖像信號(hào)處理;財(cái)務(wù)工程;建模、仿真
12、、原型開發(fā);應(yīng)用開發(fā);圖形用戶界面設(shè)計(jì)等。MATLAB產(chǎn)品族被廣泛應(yīng)用于信號(hào)與圖像處理、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、通訊系統(tǒng)仿真等諸多領(lǐng)域。開放式的結(jié)構(gòu)使MATLAB產(chǎn)品族很容易針對(duì)特定的需求進(jìn)行擴(kuò)充,從而在不斷深化對(duì)問題的認(rèn)識(shí)同時(shí),提高自身的競爭力。3.2 PCB設(shè)計(jì)軟件PCB(Printed-Circuit Board)設(shè)計(jì)軟件種類很多,如Protel、Altium Designer、OrCAD、Viewlogic、PowerPCB、Cadence PSD、MentorGraphices的Expedition PCB、Zuken CadStart、Winboard/Windraft/Ivex-SPICE
13、、PCB Studio、TANGO、PCBWizard(與LiveWire配套的PCB制作軟件包)、ultiBOARD7(與multiSIM2001配套的PCB制作軟件包)等等。目前在我國用得最多當(dāng)屬Protel,下面僅對(duì)此軟件作一介紹。Protel是PROTEL(現(xiàn)為Altium)公司在20世紀(jì)80年代末推出的CAD工具,是PCB設(shè)計(jì)者的首選軟件。它較早在國內(nèi)使用,普及率最高,在很多的大、中專院校的電路專業(yè)還專門開設(shè)Protel課程,幾乎所在的電路公司都要用到它。早期的Protel主要作為印刷板自動(dòng)布線工具使用,其最新版本為Altium Designer 10,現(xiàn)在普遍使用的是Protel9
14、9SE,它是個(gè)完整的全方位電路設(shè)計(jì)系統(tǒng),包含了電原理圖繪制、模擬電路與數(shù)字電路混合信號(hào)仿真、多層印刷電路板設(shè)計(jì)(包含印刷電路板自動(dòng)布局布線),可編程邏輯器件設(shè)計(jì)、圖表生成、電路表格生成、支持宏操作等功能,并具有Client/Server(客戶/服務(wù)體系結(jié)構(gòu)), 同時(shí)還兼容一些其它設(shè)計(jì)軟件的文件格式,如ORCAD、PSPICE、EXCEL等。使用多層印制線路板的自動(dòng)布線,可實(shí)現(xiàn)高密度PCB的100%布通率。Protel軟件功能強(qiáng)大(同時(shí)具有電路仿真功能和PLD開發(fā)功能)、界面友好、使用方便,但它最具代表性的是電路設(shè)計(jì)和PCB設(shè)計(jì)。3.3 IC設(shè)計(jì)軟件IC設(shè)計(jì)工具很多,其中按市場所占份額排行為Ca
15、dence、Mentor Graphics和Synopsys。這三家都是ASIC設(shè)計(jì)領(lǐng)域相當(dāng)有名的軟件供應(yīng)商。其它公司的軟件相對(duì)來說使用者較少。中國華大公司也提供ASIC設(shè)計(jì)軟件(熊貓2000);另外近來出名的Avanti公司,是原來在Cadence的幾個(gè)華人工程師創(chuàng)立的,他們的設(shè)計(jì)工具可以全面和Cadence公司的工具相抗衡,非常適用于深亞微米的IC設(shè)計(jì)。下面按用途對(duì)IC設(shè)計(jì)軟件作一些介紹。設(shè)計(jì)輸入工具這是任何一種EDA軟件必須具備的基本功能。像Cadence的composer,viewlogic的viewdraw,硬件描述語言VHDL、Verilog HDL是主要設(shè)計(jì)語言,許多設(shè)計(jì)輸入工具
16、都支持HDL(比如說multiSIM等)。另外像Active-HDL和其它的設(shè)計(jì)輸入方法,包括原理和狀態(tài)機(jī)輸入方法,設(shè)計(jì)FPGA/CPLD的工具大都可作為IC設(shè)計(jì)的輸入手段,如Xilinx、Altera等公司提供的開發(fā)工具M(jìn)odelsim FPGA等。設(shè)計(jì)仿真工作我們使用EDA工具的一個(gè)最大好處是可以驗(yàn)證設(shè)計(jì)是否正確,幾乎每個(gè)公司的EDA產(chǎn)品都有仿真工具。Verilog-XL、NC-verilog用于Verilog仿真,Leapfrog用于VHDL仿真,Analog Artist用于模擬電路仿真。Viewlogic的仿真器有:viewsim門級(jí)電路仿真器,speedwaveVHDL仿真器,VC
17、S-verilog仿真器。Mentor Graphics有其子公司Model Tech出品的VHDL和Verilog雙仿真器:Model Sim。Cadence、Synopsys用的是VSS(VHDL仿真器)?,F(xiàn)在的趨勢是各大EDA公司都逐漸用HDL仿真器作為電路驗(yàn)證的工具。綜合工具綜合工具可以把HDL變成門級(jí)網(wǎng)表。這方面Synopsys工具占有較大的優(yōu)勢,它的Design Compile是作為一個(gè)綜合的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn),它還有另外一個(gè)產(chǎn)品叫Behavior Compiler,可以提供更高級(jí)的綜合。另外最近美國又出了一個(gè)軟件叫Ambit,據(jù)說比Synopsys的軟件更有效,可以綜合50萬門的電路,速度
18、更快。今年初Ambit被Cadence公司收購,為此Cadence放棄了它原來的綜合軟件Synergy。隨著FPGA設(shè)計(jì)的規(guī)模越來越大,各EDA公司又開發(fā)了用于FPGA設(shè)計(jì)的綜合軟件,比較有名的有:Synopsys的FPGA Express, Cadence的Synplity, Mentor的Leonardo,這三家的FPGA綜合軟件占了市場的絕大部分。布局和布線在IC設(shè)計(jì)的布局布線工具中,Cadence軟件是比較強(qiáng)的,它有很多產(chǎn)品,用于標(biāo)準(zhǔn)單元、門陣列已可實(shí)現(xiàn)交互布線。最有名的是Cadence spectra,它原來是用于PCB布線的,后來Cadence把它用來作IC的布線。其主要工具有:C
19、ell3,Silicon Ensemble-標(biāo)準(zhǔn)單元布線器;Gate Ensemble-門陣列布線器;Design Planner-布局工具。其它各EDA軟件開發(fā)公司也提供各自的布局布線工具。物理驗(yàn)證工具物理驗(yàn)證工具包括版圖設(shè)計(jì)工具、版圖驗(yàn)證工具、版圖提取工具等等。這方面Cadence也是很強(qiáng)的,其Dracula、Virtuso、Vampire等物理工具有很多的使用者。模擬電路仿真器前面講的仿真器主要是針對(duì)數(shù)字電路的,對(duì)于模擬電路的仿真工具,普遍使用SPICE,這是唯一的選擇。只不過是選擇不同公司的SPICE,像MiceoSim的PSPICE、Meta Soft的HSPICE等等。HSPICE
20、現(xiàn)在被Avanti公司收購了。在眾多的SPICE中,HSPICE作為IC設(shè)計(jì),其模型多,仿真的精度也高。3.4 PLD設(shè)計(jì)工具PLD(Programmable Logic Device)是一種由用戶根據(jù)需要而自行構(gòu)造邏輯功能的數(shù)字集成電路。目前主要有兩大類型:CPLD(Complex PLD)和FPGA(Field Programmable Gate Array)。它們的基本設(shè)計(jì)方法是借助于EDA軟件,用原理圖、狀態(tài)機(jī)、布爾表達(dá)式、硬件描述語言等方法,生成相應(yīng)的目標(biāo)文件,最后用編程器或下載電纜,由目標(biāo)器件實(shí)現(xiàn)。生產(chǎn)PLD的廠家很多,但最有代表性的PLD廠家為Altera、Xilinx和Latt
21、ice公司。PLD的開發(fā)工具一般由器件生產(chǎn)廠家提供,但隨著器件規(guī)模的不斷增加,軟件的復(fù)雜性也隨之提高,目前由專門的軟件公司與器件生產(chǎn)廠家使用,推出功能強(qiáng)大的設(shè)計(jì)軟件。下面介紹主要器件生產(chǎn)廠家和開發(fā)工具。ALTERA:20世紀(jì)90年代以后發(fā)展很快。主要產(chǎn)品有:MAX3000/7000、FELX6K/10K、APEX20K、ACEX1K、Stratix等。其開發(fā)工具-MAX+PLUS II是較成功的PLD開發(fā)平臺(tái),最新又推出了Quartus II開發(fā)軟件。Altera公司提供較多形式的設(shè)計(jì)輸入手段,綁定第三方VHDL綜合工具,如:綜合軟件FPGA Express、Leonard Spectrum,
22、仿真軟件ModelSim。XILINX:FPGA的發(fā)明者。產(chǎn)品種類較全,主要有:XC9500/4000、Coolrunner(XPLA3)、Spartan、Vertex等系列,其最大的Vertex-II Pro器件已達(dá)到800萬門。開發(fā)軟件為Foundation和ISE。通常來說,在歐洲用Xilinx的人多,在日本和亞太地區(qū)用ALTERA的人多,在美國則是平分秋色。全球PLD/FPGA產(chǎn)品60%以上是由Altera和Xilinx提供的。可以講Altera和Xilinx共同決定了PLD技術(shù)的發(fā)展方向。Lattice-Vantis:Lattice是ISP(In-System Programmabi
23、lity)技術(shù)的發(fā)明者。ISP技術(shù)極大地促進(jìn)了PLD產(chǎn)品的發(fā)展,與ALTERA和XILINX相比,其開發(fā)工具比Altera和Xilinx略遜一籌。中小規(guī)模PLD比較有特色,大規(guī)模PLD的競爭力還不夠強(qiáng)(Lattice沒有基于查找表技術(shù)的大規(guī)模FPGA),1999年推出可編程模擬器件,1999年收購Vantis(原AMD子公司),成為第三大可編程邏輯器件供應(yīng)商。2001年12月收購Agere公司(原Lucent微電子部)的FPGA部門。主要產(chǎn)品有ispLSI2000/5000/8000,MACH4/5。ACTEL:反熔絲(一次性燒寫)PLD的領(lǐng)導(dǎo)者。由于反熔絲PLD抗輻射、耐高低溫、功耗低、速度
24、快,所以在軍品和宇航級(jí)上有較大優(yōu)勢。ALTERA和XILINX則一般不涉足軍品和宇航級(jí)市場。Quicklogic:專業(yè)PLD/FPGA公司,以一次性反熔絲工藝為主,在中國地區(qū)銷售量不大。Lucent:主要特點(diǎn)是有不少用于通訊領(lǐng)域的專用IP核,但PLD/FPGA不是Lucent的主要業(yè)務(wù),在中國地區(qū)使用的人很少。ATMEL:中小規(guī)模PLD做得不錯(cuò)。ATMEL也做了一些與Altera和Xilinx兼容的片子,但在品質(zhì)上與原廠家還是有一些差距,在高可靠性產(chǎn)品中使用較少,多用在低端產(chǎn)品上。Clear Logic:生產(chǎn)與一些著名PLD/FPGA大公司兼容的芯片,這種芯片可將用戶的設(shè)計(jì)一次性固化,不可編程
25、,批量生產(chǎn)時(shí)的成本較低。WSI:生產(chǎn)PSD(單片機(jī)可編程外圍芯片)產(chǎn)品。這是一種特殊的PLD,如最新的PSD8xx、PSD9xx集成了PLD、EPROM、Flash,并支持ISP(在線編程),集成度高,主要用于配合單片機(jī)工作。Altium:提供Actel、Altera、Lattice和Xilinx四家PLD/FPGA器件的通用跨廠商開發(fā)平臺(tái),最新推出了Altium Designer 10軟件中集成了Aldec HDL仿真功能。順便提一下:PLD(可編程邏輯器件)是一種可以完全替代74系列及GAL、PLA的新型電路,只要有數(shù)字電路基礎(chǔ),會(huì)使用計(jì)算機(jī),就可以進(jìn)行PLD的開發(fā)。PLD的在線編程能力和
26、強(qiáng)大的開發(fā)軟件,使工程師可以幾天,甚至幾分鐘內(nèi)就可完成以往幾周才能完成的工作,并可將數(shù)百萬門的復(fù)雜設(shè)計(jì)集成在一顆芯片內(nèi)。PLD技術(shù)在發(fā)達(dá)國家已成為電子工程師必備的技術(shù)。3.5 其它EDA軟件VHDL語言:超高速集成電路硬件描述語言(VHSIC Hardware Description Language,簡稱VHDL),是IEEE的一項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)語言。它源于美國國防部提出的超高速集成電路(Very High Speed Integrated Circuit,簡稱VHSIC)計(jì)劃,是ASIC設(shè)計(jì)和PLD設(shè)計(jì)的一種主要輸入工具。Verilog HDL:是Verilog公司推出的硬件描述語言,在ASIC設(shè)計(jì)方面與VHDL語言平分秋色。其它EDA軟件如專門用于微波電
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