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文檔簡介
1、武漢理工大學(xué)數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)說明書目 錄摘要 iabstract 1 數(shù)字鐘的構(gòu)成 11.1方案設(shè)計(jì) 2 1.1.1總方案設(shè)計(jì) 2 1.1.2部分電路方案設(shè)計(jì) 22 數(shù)字鐘單元電路的設(shè)計(jì) 42.1 振蕩器電路設(shè)計(jì)4 2.2 時(shí)間計(jì)數(shù)單元設(shè)計(jì)42.2.1 集成異步計(jì)數(shù)器74ls9052.2.2 用74ls90構(gòu)成秒和分計(jì)數(shù)器電路 62.2.3 用74ls90構(gòu)成時(shí)計(jì)數(shù)器電路 72.2.4 時(shí)間計(jì)數(shù)單元總電路 82.3 譯碼顯示單元電路設(shè)計(jì) 92.3.1 譯碼器74ls48 92.3.2 顯示器lg5011ah112.3.3 譯碼顯示電路122.4 校時(shí)單元電路設(shè)計(jì)13 2.5 報(bào)時(shí)電路設(shè)
2、計(jì)13 2.6 鬧鐘電路設(shè)計(jì)153 數(shù)字鐘的實(shí)現(xiàn)電路及其工作原理164仿真結(jié)果175 電路的安裝與調(diào)試196課程設(shè)計(jì)心得與體會 19參考文獻(xiàn) 20附錄1 211 數(shù)字鐘的構(gòu)成 數(shù)字鐘實(shí)際上是一個對標(biāo)準(zhǔn)頻率(1hz)進(jìn)行計(jì)數(shù)的計(jì)數(shù)電路。主要由振蕩器、分頻器、計(jì)數(shù)器、譯碼器顯示器和校時(shí)電路組成。振蕩器產(chǎn)生穩(wěn)定的高頻脈沖信號,作為數(shù)字鐘的時(shí)間基準(zhǔn),通常使用石英晶體震蕩器,然后經(jīng)過分頻器輸出標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖,或者由555構(gòu)成的多諧振蕩器來直接產(chǎn)生1hz的脈沖信號。秒計(jì)數(shù)器滿60后向分計(jì)數(shù)器進(jìn)位,分計(jì)數(shù)器滿60后向小時(shí)計(jì)數(shù)器進(jìn)位,小時(shí)計(jì)數(shù)器按照“24翻1”規(guī)律計(jì)數(shù)。計(jì)數(shù)器的輸出分別經(jīng)譯碼器送顯示器顯示。由于計(jì)
3、數(shù)的起始時(shí)間不可能與標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間一致,故需要在電路上加一個校時(shí)電路,當(dāng)計(jì)時(shí)出現(xiàn)誤差時(shí),可以用校時(shí)電路校時(shí)、校分。還可實(shí)現(xiàn)整點(diǎn)報(bào)時(shí)和鬧鐘的功能。如圖 1.1所示為數(shù)字鐘電路系統(tǒng)的組成框圖。顯示器 顯示器 顯示器譯碼器 譯碼器 譯碼器 24進(jìn)制 60進(jìn)制 60進(jìn)制 整點(diǎn)報(bào)時(shí)及鬧鐘校時(shí) 校分晶體振蕩器 分頻器圖1-1數(shù)字鐘電路系統(tǒng)的組成框圖1.1方案設(shè)計(jì) 1.1.1總的方案設(shè)計(jì): 方案一:用各種門電路直接搭接數(shù)字鐘電路,但此種方案花時(shí)間較多,所需元件眾多,電路復(fù)雜。 方案二:用計(jì)數(shù)器74ls90以及譯碼器74ls48等芯片組成電路,所需連線較第一種簡單很多,很容易實(shí)現(xiàn)。 方案三:用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)及顯示等
4、,這種方案簡單明了,只需要寫好程序就可以,很容易達(dá)到任務(wù)要求。但單片機(jī)對個人能力要求較高,需要系統(tǒng)的學(xué)習(xí)。綜上,由于本人還沒有學(xué)單片機(jī)所以決定采用第二種方案。1.1.2 部分電路方案設(shè)計(jì):振蕩器是數(shù)字鐘的核心。振蕩器的穩(wěn)定度及頻率的精確度決定了數(shù)字鐘計(jì)時(shí)的準(zhǔn)確程度,一般來說,振蕩器的頻率越高,計(jì)時(shí)精度越高。通常選用石英晶體構(gòu)成振蕩器電路構(gòu)成振蕩器。也可以由555定時(shí)器組成。方案一:由集成電路定時(shí)器555與rc組成的多諧振蕩器作為時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)信號源。圖1.1 555與rc組成的多諧振蕩器圖2武漢理工大學(xué)數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)說明書方案二:振蕩器是數(shù)字鐘的核心。振蕩器的穩(wěn)定度及頻率的精確度決定了數(shù)字
5、鐘計(jì)時(shí)的準(zhǔn)確程度,通常選用石英晶體構(gòu)成振蕩器電路。石英晶體振蕩器的作用是產(chǎn)生時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)信號。因此,一般采用石英晶體振蕩器經(jīng)過分頻得到這一時(shí)間脈沖信號。圖 1.2 石英晶體振蕩器圖方案三:由集成邏輯門與rc組成的時(shí)鐘源振蕩器。圖 1.3 門電路組成的多諧振蕩器圖經(jīng)論證石英晶體振蕩器產(chǎn)生的時(shí)間信號準(zhǔn)確度較高,但做1hz的時(shí)鐘信號需要分頻器,電路會較復(fù)雜,采用門電路精度很低不宜使用,綜上應(yīng)選擇由555定時(shí)器組成的多諧振蕩器產(chǎn)生時(shí)間信號。時(shí)間計(jì)數(shù)電路由秒個位和秒十位計(jì)數(shù)器、分個位和分十位計(jì)數(shù)器及時(shí)個位和時(shí)十位計(jì)數(shù)器電路構(gòu)成,其中秒個位和秒十位計(jì)數(shù)器、分個位和分十位計(jì)數(shù)器為60進(jìn)制計(jì)數(shù)器,而根據(jù)設(shè)計(jì)要求,
6、時(shí)個位和時(shí)十位計(jì)數(shù)器為24進(jìn)制計(jì)數(shù)器。 譯碼驅(qū)動電路將計(jì)數(shù)器輸出的8421bcd碼轉(zhuǎn)換為數(shù)碼管需要的邏輯狀態(tài),并且為保證數(shù)碼管正常工作提供足夠的工作電流。 顯示電路的組成主要是數(shù)碼管,數(shù)碼管由7個發(fā)光二極管組成,行成一個日字形,它門可以共陰極,也可以共陽極,本設(shè)計(jì)中為共陰極七段顯示led數(shù)碼管。2 數(shù)字鐘單元電路的設(shè)計(jì) 2.1振蕩器電路設(shè)計(jì) 圖2.1 用555定時(shí)器組成振蕩器的電路2.2時(shí)間計(jì)數(shù)單元設(shè)計(jì)時(shí)間計(jì)數(shù)單元由時(shí)計(jì)數(shù)、分計(jì)數(shù)和秒計(jì)數(shù)等幾個部分組成。時(shí)計(jì)數(shù)單元為24數(shù)器計(jì)數(shù),其輸出為兩位8421bcd碼形式,分計(jì)數(shù)和秒計(jì)數(shù)單元為60進(jìn)制計(jì)數(shù)器,其輸出也為8421bcd碼。本實(shí)驗(yàn)采取了用兩塊
7、74ls90芯片進(jìn)行級聯(lián)來產(chǎn)生60進(jìn)制和24進(jìn)制計(jì)數(shù)器。2.2.1集成異步計(jì)數(shù)器74ls9074ls90是異步二五十進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器,它既可以作二進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器,又可以作五進(jìn)制和十進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器。如圖2-2為74ls90引腳圖,表2.1為74ls90的功能表。1 2 3 4 5 6 7ina nc qa qd gnd qb qc inb r01 r02 nc vcc r91 r92 74ls9014 13 12 11 10 9 8圖2.2 74ls90引腳圖表2.1 74ls90的功能表輸 入輸 出功 能清 0置 9時(shí) 鐘qd qcqbqar01、r02r91、r92ina inb 1100 0
8、000清 00011 1001置 90 00 0 1qa 輸 出二進(jìn)制計(jì)數(shù)1 qdqcqb輸出五進(jìn)制計(jì)數(shù) qaqdqcqbqa輸出8421bcd碼十進(jìn)制計(jì)數(shù)qd qaqdqcqb輸出5421bcd碼十進(jìn)制計(jì)數(shù)1 1不 變保 持通過不同的連接方式,74ls90可以實(shí)現(xiàn)四種不同的邏輯功能,而且還可借助r01、r02對計(jì)數(shù)器清零,借助s91、s92將計(jì)數(shù)器置9。其具體功能詳述如下:(1)計(jì)數(shù)脈沖從ina輸入,qa作為輸出端,為二進(jìn)制計(jì)數(shù)器。(2)計(jì)數(shù)脈沖從inb輸入,qdqcqb作為輸出端,為異步五進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器。(3)若將inb和qa相連,計(jì)數(shù)脈沖由ina輸入,qd、qc、qb、qa作為輸出端,則
9、構(gòu)成異步8421碼十進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器。(4)若將ina與qd相連,計(jì)數(shù)脈沖由inb輸入,qa、qd、qc、qb作為輸出端,則構(gòu)成異步5421碼十進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器。(5)清零、置9功能。a) 異步清零 當(dāng)r01、r02均為“1”,s91、s92中有“0”時(shí),實(shí)現(xiàn)異步清零功能,即qdqcqbqa0000。b) 置9功能當(dāng)s91、s92均為“1”;r01、r02中有“0”時(shí),實(shí)現(xiàn)置9功能,即qdqcqbqa1001。2.2.2 用74ls90構(gòu)成秒和分計(jì)數(shù)器電路秒個位計(jì)數(shù)單元為10計(jì)數(shù)器,無需進(jìn)制轉(zhuǎn)換,只需將qa與inb相連即可。ina與1hz秒輸入信號相連,qd可作為進(jìn)位信號與十位計(jì)數(shù)單元的ina相連
10、。秒十位計(jì)數(shù)單元為6進(jìn)制計(jì)數(shù)器,需要進(jìn)制轉(zhuǎn)換。將10進(jìn)制計(jì)數(shù)器轉(zhuǎn)換為6進(jìn)制計(jì)數(shù)器的電路連接方法為:將qb ,qc分別與兩個清零端r01,r02相連接。qc可作為進(jìn)位信號與分個位的計(jì)數(shù)單元的ina相連,如圖2.3所示。圖2.3 秒和分計(jì)數(shù)器的連接電路圖分個位和分十位計(jì)數(shù)單元電路結(jié)構(gòu)分別與秒個位和秒十位計(jì)數(shù)單元完全相同,也是分個位計(jì)數(shù)單元的qd作為進(jìn)位信號與分十位計(jì)數(shù)單元的ina相連,分十位計(jì)數(shù)單元的qc作為進(jìn)位信號應(yīng)與時(shí)個位計(jì)數(shù)單元的inb相連。秒十位計(jì)數(shù)單元為6進(jìn)制計(jì)數(shù)器,需要進(jìn)制轉(zhuǎn)換,將10進(jìn)制計(jì)數(shù)器轉(zhuǎn)換為6進(jìn)制計(jì)數(shù)器的電路連接方法為:將qb ,qc分別與兩個清零端r01,r02相連接。 2
11、.2.3用74ls90構(gòu)成時(shí)計(jì)數(shù)器電路時(shí)個位計(jì)數(shù)單元電路結(jié)構(gòu)仍與秒個位計(jì)數(shù)單元相同,但是要求整個時(shí)計(jì)數(shù)單元應(yīng)為24進(jìn)制計(jì)數(shù)器,所以在兩塊74ls90構(gòu)成的100進(jìn)制中截取24,就得在24的時(shí)候進(jìn)行異步清零。清零方法為:將兩片74ls90的兩個清零端r01和r02分別連接起來,再將時(shí)個位的qb 與r01相連,將時(shí)十位的qc 與r02相連接。如圖2-4所示電路 圖2.4 時(shí)計(jì)數(shù)器連接電路圖2.2.4 時(shí)間計(jì)數(shù)單元總電路如圖2.5所示電路為數(shù)字鐘的時(shí)間計(jì)數(shù)單元電路連接圖,從圖中可以看出,所有的置9端及接地端都接地,所有74ls90的vcc都接上電源。圖2.5 數(shù)字鐘的時(shí)間計(jì)數(shù)單元電路連接圖2.3譯碼
12、顯示單元電路設(shè)計(jì) 計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)了對時(shí)間的累計(jì)以8421bcd碼形式輸出,譯碼驅(qū)動電路將計(jì)數(shù)器輸出的8421bcd碼轉(zhuǎn)換為數(shù)碼管需要的邏輯狀態(tài),并且為七段數(shù)碼管的正常工作提供足夠的工作電流。譯碼器是一個多輸入、多輸出的組合邏輯電路。它的工作是把給定的代碼進(jìn)行“翻譯”,變成相應(yīng)的狀態(tài),使輸出通道中相應(yīng)的一路有信號輸出。譯碼器在數(shù)字系統(tǒng)中有廣泛的用途,不僅用于代碼的轉(zhuǎn)換、終端的數(shù)字顯示,還用于數(shù)字分配,存儲器尋址和組合控制信號等。譯碼器可以分為通用譯碼器和顯示譯碼器兩大類。用于驅(qū)動led七段數(shù)碼顯示常用的有74ls48。2.3.1譯碼器74ls4874ls48是bcd-7段譯碼器/驅(qū)動器,其輸出是oc
13、門輸出且高電平有效,專用于驅(qū)動led七段共陰極顯示數(shù)碼管。其功能是把輸入的8421bcd碼abcd譯成七段輸出a-g,再由七段數(shù)碼管顯示相應(yīng)的數(shù)。由74ls48和led七段共陰極數(shù)碼管組成一位數(shù)碼顯示電路。若將“秒”、“分”、“時(shí)”計(jì)數(shù)器的每位輸出分別接到相應(yīng)七段譯碼器的輸入端,便可進(jìn)行不同數(shù)字顯示。在譯碼器輸出與數(shù)碼管之間串聯(lián)的r為限流電阻。當(dāng)數(shù)字鐘的計(jì)數(shù)器在cp脈沖的作用下,就應(yīng)將其狀態(tài)顯示成清晰的數(shù)字符號, 74ls48的管腳如圖2-6。在管腳圖中,管腳lt、rbi、bi/rbo都是低電平是起作用,作用分別為:lt為燈測檢查,用lt可檢查七段顯示器個字段是否能正常被點(diǎn)燃。bi是滅燈輸入,
14、可以使顯示燈熄滅。rbi是滅零輸入,可以按照需要將顯示的零予以熄滅。bi/rbo是共用輸出端,rbo稱為滅零輸出端,可以配合滅零輸出端rbi,在多位十進(jìn)制數(shù)表示時(shí),把多余零位熄滅掉,以提高視圖的清晰度。vcc f g a b c d e b c lt bi/rbo rbi d a gnd1 2 3 4 5 6 7 816 15 14 13 12 11 10 974ls48圖2.6 74ls48 的管腳圖74ls48的功能:74ls48的功能表如下表所示:表2.2 74ls48 bcd七段譯碼驅(qū)動器功能表74ls48引腳功能-七段譯碼驅(qū)動器功能表十進(jìn)制數(shù)輸 入bt/rb0輸 出ltrbiabcd
15、abcdefg0h/0000h11111111h/0001h01100002h/0010h11011013h/0011h11110014h/0100h01100115h/0101h10110116h/0110h00111117h/0111h11100008h/1000h11111119h/1001h1110011(1)譯碼功能:將lt,rbi和bi/rbo端接高電平,輸入十進(jìn)制數(shù)09的任意一組8421bcd碼(原碼),則輸出端ag也會得到一組相應(yīng)的7位二進(jìn)制代碼(74ls48驅(qū)動共陰極,輸出3fh、06h、5bh;74ls47驅(qū)動共陽極,輸出coh、f9h、a4h)。如果將這組代碼輸入到數(shù)碼管
16、,就可以顯示出相應(yīng)的十進(jìn)制數(shù)。(2)試燈功能:給試燈輸入加低電平,而bi/rbo端加高電平時(shí),則輸出端ag均為高電平。若將其輸入數(shù)碼管,則所有的顯示段都發(fā)亮。此功能可以用于檢查數(shù)碼管的好壞。(3)滅燈功能:將低電平加于滅燈輸入時(shí),不管其他輸入為什么電平,所有輸出端都為低電平。將這樣的輸出信號加至數(shù)碼管,數(shù)碼管將不發(fā)亮。(4)動態(tài)滅燈功能:rbi端為滅零輸入端,其作用是將數(shù)碼管顯示的數(shù)字0熄滅。當(dāng)rbi=0,且dcba=0000時(shí),若lt=1,ag輸出為低電平,數(shù)碼管無顯示。利用該滅零端,可熄滅多位顯示中不需要的零。不需要滅零時(shí),rbi=1。2.3.2顯示器lg5011ah圖2-7是共陰極式le
17、d數(shù)碼管的原理圖,使用時(shí)公共陰極接地,使每個發(fā)光二極管都處于導(dǎo)通狀態(tài),而且這7個發(fā)光二極管a到g分別由相應(yīng)的bcd七段譯碼器來驅(qū)動。圖 2.7 共陰極led數(shù)碼管的原理圖在這里,我們選用型號為lg5011ah的數(shù)碼管,lg5011ah的管腳功能圖如圖2-8所示, abfcgde1234567abcdefglg5011ah圖2.8 lg5011ah的管腳圖2.3.3譯碼顯示電路譯碼顯示電路由共陰極譯碼器74ls48和七段數(shù)碼管led組成。74ls48和lg5011ah的連接圖如圖2-9所示。 74ls48lg5011ahbi/rbo453a7b1c2d6a13b12c11d10e9f15g14a
18、bfcgde1234567abcdefgltrbi圖2.9,譯碼顯示電路2.4 校時(shí)單元電路設(shè)計(jì) 通常,校正時(shí)間的方法是:首先截?cái)嗾5挠?jì)數(shù)通路,然后再進(jìn)行人工出觸發(fā)計(jì)數(shù)或?qū)㈩l率較高的方波信號加到需要校正的計(jì)數(shù)單元的輸入端,校正好后,再轉(zhuǎn)入正常計(jì)時(shí)狀態(tài)即可。根據(jù)要求,數(shù)字鐘應(yīng)具有分校正和時(shí)校正功能,因此,應(yīng)截?cái)喾謧€位和時(shí)個位的直接計(jì)數(shù)通路,并采用正常計(jì)時(shí)信號與校正信號可以隨時(shí)切換的電路接入其中,并加入了0.01uf的電容來防抖動。即如圖所示: 圖2.10 校時(shí)單元電路2.5 報(bào)時(shí)電路設(shè)計(jì)采用仿廣播臺整點(diǎn)報(bào)時(shí)的功能:每當(dāng)數(shù)字鐘計(jì)時(shí)快要到正點(diǎn)時(shí)候發(fā)出響聲,通常按照四低音,一高音的順序發(fā)出間斷聲,以
19、最后一聲高音結(jié)束的時(shí)刻為正點(diǎn)時(shí)刻。4低音(約500hz)分別發(fā)生在59分51秒、發(fā)生在59分53秒、發(fā)生在59分55秒、發(fā)生在59分57秒、,最后一聲高音(約1khz)發(fā)生在59秒。在這里將舉例來說明它的工作原理。要求上午7時(shí)59分發(fā)出鬧時(shí)信號,持續(xù)1分鐘。設(shè)計(jì)如下:7時(shí)59分對應(yīng)數(shù)字鐘的時(shí)時(shí)個位計(jì)數(shù)器的狀態(tài)為,分十位計(jì)數(shù)器的狀態(tài)為,分個位計(jì)數(shù)器的狀態(tài)為,若將上述計(jì)數(shù)器輸出為“1”的所有輸出端經(jīng)過與門電路去控制音響電路,就可以使音響電路正好在7點(diǎn)59分響,持續(xù)1分鐘后(即8點(diǎn))停響。所以鬧時(shí)控制信號z的表達(dá)式為式中,m為上午的信號輸出,要求m=1。如果用與非門實(shí)現(xiàn)的邏輯表達(dá)式為:在該電路圖中用
20、到了4輸入二與非門74ls20,集電極開路的2輸入四與非門74ls03,因oc門的輸出端可以進(jìn)行“線與”,使用時(shí)在它們的輸出端與電源+5v端之間應(yīng)接一電阻rl。rl的值由下式?jīng)Q定: =0.4v,=0.4ma,=2.4v,=50ua,=8ma,=100ua;m為負(fù)載門輸入端總個數(shù)。取rl=3.3k。如果控制1khz高音和驅(qū)動音響電路的兩極與非門也采用oc門,則rl的值應(yīng)該重新計(jì)算。由電路圖可以看見,上午7點(diǎn)59分,音響電路的晶體管導(dǎo)通,則揚(yáng)聲器發(fā)出1khz的聲音。持續(xù)1分鐘到8點(diǎn)整晶體管因?yàn)檩斎攵藶椤?”而截止,電路停鬧。 2.11 報(bào)時(shí)電路2.6鬧鐘電路設(shè)計(jì)數(shù)字鐘在指定的時(shí)刻發(fā)出信號,或驅(qū)動音
21、響電路“鬧時(shí)”;或?qū)δ逞b置的電源進(jìn)行接通或斷開“控制”。不管是鬧時(shí)還是控制,都要求時(shí)間準(zhǔn)確,即信號的開始時(shí)刻與持續(xù)時(shí)間必須滿足規(guī)定的要求。 圖2.12 鬧鐘電路3 數(shù)字鐘的實(shí)現(xiàn)電路及其工作原理數(shù)字鐘的完整電路圖如圖3.1所示:圖3.1數(shù)字鐘原理圖4 仿真結(jié)果4.1 時(shí)鐘結(jié)果仿真 4.2 報(bào)時(shí)電路仿真 4.3 鬧鐘電路仿真4.4 仿真結(jié)果分析經(jīng)測試之后,電路可以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)要求,可以實(shí)現(xiàn)數(shù)字鐘的基本功能,有譯碼、七段數(shù)碼顯示功能,能顯示時(shí)、分、秒計(jì)時(shí)的結(jié)果,比如計(jì)數(shù),同時(shí)多功能模塊校時(shí)功能和報(bào)時(shí)功能及鬧鐘功能都可以使用?;诜抡娼Y(jié)果可以認(rèn)定,此次多功能數(shù)字鐘的設(shè)計(jì)是成功的。5電路的安裝與調(diào)試安裝與調(diào)
22、試步驟:按照圖3.1所示的數(shù)字鐘系統(tǒng)組成框圖,先將秒個位、秒十位、分個位、分十位、時(shí)個位、時(shí)十位分級焊接,在經(jīng)過調(diào)試沒有出現(xiàn)問題后再將它們一一逐級級聯(lián),級聯(lián)后再進(jìn)行整體計(jì)時(shí)電路的調(diào)試,若此電路能夠進(jìn)行正常計(jì)數(shù),那么一個完整的計(jì)時(shí)電路就出來了。最后分別進(jìn)行秒脈沖發(fā)生器及調(diào)時(shí)電路的安裝,經(jīng)調(diào)試沒有出現(xiàn)問題,再將它們與計(jì)時(shí)電路連接。最后進(jìn)行整體電路(即數(shù)字鐘)的調(diào)試。6課程設(shè)計(jì)心得體會通過本次課程設(shè)計(jì),我明白了一個道理:無論做什么事情,都必需養(yǎng)成嚴(yán)謹(jǐn),認(rèn)真,善思的工作作風(fēng).我這畢業(yè)設(shè)計(jì)由于我采用的是數(shù)字電路來實(shí)現(xiàn)的,所以電路較復(fù)雜,但是容易理解.每一部分我都能理解并且能有多種設(shè)計(jì)方法.時(shí)間很緊,從開始準(zhǔn)備課設(shè)到
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