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復(fù)習(xí)CH2?邏輯門(mén)與組合邏輯電路CH3?觸發(fā)器與時(shí)序邏輯電路思路輸入:高電平、低電平、脈沖輸出:高電平、低電平——兩個(gè)穩(wěn)態(tài)——雙穩(wěn)態(tài)如何產(chǎn)生、如何變換?實(shí)際中可能需要其他的狀態(tài)——單穩(wěn)態(tài)、無(wú)穩(wěn)態(tài)7.0概述7.1波形變換電路7.2施密特觸發(fā)器7.4定時(shí)器7.3脈沖產(chǎn)生電路CH7
波形變換、脈沖產(chǎn)生和定時(shí)電路New!★基本內(nèi)容New!★學(xué)習(xí)重點(diǎn)★基本學(xué)習(xí)要求7.0本章概述
★本章基本內(nèi)容
在前面各章的討論中,常常需要用到各種幅度、寬度以及具有陡峭邊沿的脈沖信號(hào),如觸發(fā)器就需要時(shí)鐘脈沖(CP),等等。事實(shí)上,現(xiàn)代電子系統(tǒng)都離不開(kāi)脈沖信號(hào)。獲取這些脈沖信號(hào)的方法通常有兩種:①直接產(chǎn)生;②利用已有信號(hào)變換得到。
與產(chǎn)生模擬信號(hào)要用模擬振蕩器一樣,產(chǎn)生脈沖信號(hào)要用脈沖振蕩器。脈沖波形變換則包括脈沖寬度、幅度、相位及上升和下降時(shí)間等等的改變,通過(guò)變換,使這些特性符合要求。
本章將介紹常用的脈沖變換電路——單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和施密特觸發(fā)器,脈沖產(chǎn)生電路——多諧振蕩器,和一種多用途的定時(shí)電路——555定時(shí)器?!锘緦W(xué)習(xí)要求
·掌握脈沖電路的基本分析方法
·掌握常用脈沖電路的工作原理
·掌握幾種集成電路的應(yīng)用
·理解雙穩(wěn)態(tài)—單穩(wěn)態(tài)—無(wú)穩(wěn)態(tài)等幾種電路原理的內(nèi)在聯(lián)系Emailmepleaseifyouhaveanyquestions:win_dd@163.com★本章學(xué)習(xí)重點(diǎn)·脈沖電路分析的關(guān)鍵
·微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、晶體振蕩器、
555定時(shí)器的基本原理·74221、4538、4098、74HC14、555
等集成電路的應(yīng)用7.1.1RC積分與微分電路New!7.1.3集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器
7.1.2單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的工作原理
7.1波形變換電路
7.1.4單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器應(yīng)用舉例7.1.1RC積分與微分電路基礎(chǔ)知識(shí)RC積分電路
電路條件:
τ=RC>>tWtW——輸入脈沖寬度tW
7.1.1RC積分與微分電路基礎(chǔ)知識(shí)RC微分電路
電路條件:
τ=RC<<tWtW——輸入脈沖寬度tW7.1.2單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器工作原理
基礎(chǔ)知識(shí)A1、以微分型為例7.1.2單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器工作原理
分析方法ABABQQVth
7.1.2單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器工作原理
ABABQQVth
分析方法7.1.2單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器工作原理
ABABQQVth
穩(wěn)態(tài)穩(wěn)態(tài)暫穩(wěn)態(tài)分析方法7.1.2單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器工作原理
基礎(chǔ)知識(shí)ABABQQVth
tWtre暫穩(wěn)態(tài)時(shí)間恢復(fù)時(shí)間7.1.2單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器工作原理
基礎(chǔ)知識(shí)AB計(jì)算
tW及tre運(yùn)用“三要素法”:
UB(0+)=VCC
UB(∞)=0τ=RC(忽略其他電阻)
uB(t)=UB(∞)+[UB(0+)-UB(∞)]=VCCABQQVth
tWtreACQQVth
tWtre計(jì)算
tW及tre求(tW)ACQQVth
tWtre若Vth=VCC/2VC(0+)=VCCVC(∞)=0則tW≈0.7τ=0.7RCtre=(3~5)τre
單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的一般特性?!思考!1.只有一個(gè)穩(wěn)態(tài),另有一個(gè)暫穩(wěn)態(tài)。穩(wěn)態(tài)暫態(tài)2.何時(shí)翻轉(zhuǎn)到暫穩(wěn)態(tài)取決于輸入信號(hào)。3.何時(shí)翻轉(zhuǎn)回穩(wěn)態(tài)取決于電路參數(shù)R與C。單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器AQAQtAtW習(xí)題1試設(shè)計(jì)一自動(dòng)延時(shí)樓道照明燈。!討論與思考!幾點(diǎn)討論:①反饋環(huán)節(jié)也可采用RC積分電路(見(jiàn)習(xí)題6-5)。②若采用TTL門(mén)電路,為保證穩(wěn)態(tài)時(shí)門(mén)2輸入低電平,電阻R必須小于某一數(shù)值。采用CMOS電路無(wú)此限制。③為減小恢復(fù)時(shí)間tre,可在R上并聯(lián)一個(gè)二極管,給電容C提供放電回路。④若輸入脈沖過(guò)寬(tA>tW),電路工作可能不正常時(shí),可在輸入端另加一RC微分電路,形成短輸入脈沖。⑤采用或非門(mén)電路同樣可構(gòu)成單穩(wěn)電路。
7.1.2單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器工作原理
基礎(chǔ)知識(shí)ABABQQVth
tWtreRdCd。+VDD7.1.2單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器工作原理
基礎(chǔ)知識(shí)ABQQVth
tWtreABRdCd。+VDDA’7.1.2單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器工作原理
分析方法Vth
tWtreABRdCd。+VDDA’ABQQA’穩(wěn)態(tài)時(shí),ui=1,G1、G2均導(dǎo)通。uo1=0,uA=0,uo2=0。
ui負(fù)跳變到0時(shí),G1截止,uo1隨之跳變到1。由于電容電壓不能躍變,uA仍為0,故門(mén)G2截止,uo2跳變到1。在G1、G2截止時(shí),C通過(guò)R和G1的導(dǎo)通管放電,使uA逐漸上升。當(dāng)uA上升到管子的開(kāi)啟電壓UT時(shí),如果ui仍為低電平,G2導(dǎo)通,uo2變?yōu)?。當(dāng)ui回到高電平后,G1導(dǎo)通,C又通過(guò)R和G1的導(dǎo)通管充電,電路恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)。7.1.3集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器應(yīng)用基礎(chǔ)常用集成單穩(wěn)態(tài)觸法器:54/74121,54/74221,54/74HC123,CD4098,CD4538等。TR-A、TR-B是兩個(gè)下降沿有效的觸發(fā)信號(hào)輸入端,TR+是上升沿有效的觸發(fā)信號(hào)輸入端。Q和是兩個(gè)狀態(tài)互補(bǔ)的輸出端。Rext/Cext、Cext是外接定時(shí)電阻和電容的連接端,外接定時(shí)電阻R(R=1.4kΩ~40kΩ)接在VCC和Rext/Cext之間,外接定時(shí)電容C(C=10pF~10μF)接在Cext(正)和Rext/Cext之間。74121內(nèi)部已設(shè)置了一個(gè)2kΩ的定時(shí)電阻,Rin是其引出端,使用時(shí)只需將Rin與VCC連接起來(lái)即可,不用時(shí)則應(yīng)將Rin開(kāi)路。74121的輸出脈沖寬度:tp≈0.7RCTR-A、TR-B是兩個(gè)下降沿有效的觸發(fā)信號(hào)輸入端,TR+A、TR+B是兩個(gè)上升沿有效的觸發(fā)信號(hào)輸入端。Q和是兩個(gè)狀態(tài)互補(bǔ)的輸出端。Rext/Cext、Cext、Rin3個(gè)引出端是供外接定時(shí)元件使用的,外接定時(shí)電阻R(R=5kΩ~50kΩ)、電容C(無(wú)限制)的接法與74121相同。RD為直接復(fù)位輸入端,低電平有效。當(dāng)定時(shí)電容C>1000pF時(shí),74122的輸出脈沖寬度:tp≈0.32RC應(yīng)用基礎(chǔ)1.TTL雙單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器74221
74221內(nèi)部有一個(gè)2kΩ的電阻可供使用。若不用內(nèi)電阻則需外接。無(wú)論何種接法,暫穩(wěn)態(tài)時(shí)間均為
tW=0.7RC4538—CMOS雙單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器應(yīng)用基礎(chǔ)7.1.4單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器應(yīng)用工程應(yīng)用7.1.4單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器應(yīng)用工程應(yīng)用“看門(mén)狗”(WatchingDog)New!7.2.2集成施密特觸發(fā)器
7.2.1特性與原理7.2施密特觸發(fā)器
7.2.3應(yīng)用舉例
7.3.1由門(mén)電路構(gòu)成的施密特觸發(fā)器施密特觸發(fā)器是一種能夠把輸入波形整形成為適合于數(shù)字電路需要的矩形脈沖的電路。00110111110001100011下限閾值電壓上限閾值電壓回差電壓(滯后電壓):ΔUT=
UT+-UT-前面介紹的施密特觸發(fā)器的回差電壓為:ΔUT=UT+-UT-=UT-(UT-UD)=UD=0.7V缺點(diǎn)是回差太小,且不能調(diào)整。集成施密特觸發(fā)器施密特觸發(fā)器特性基礎(chǔ)知識(shí)
施密特觸發(fā)器是具有滯后特性的數(shù)字傳輸門(mén)。①電路具有兩個(gè)閾值電壓,分別稱(chēng)為正向閾值電壓和負(fù)向閾值電壓,二者的差值稱(chēng)為回差。輸出電平的變化滯后于輸入,形成回環(huán)。②與雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器不同,施密特觸發(fā)器屬于“電平觸發(fā)”型電路,不依賴(lài)于邊沿陡峭的脈沖。
特點(diǎn):施密特觸發(fā)器特性與原理基礎(chǔ)知識(shí)施密特觸發(fā)器特性與原理基礎(chǔ)知識(shí)施密特觸發(fā)器特性與原理基礎(chǔ)知識(shí)施密特觸發(fā)器特性與原理基礎(chǔ)知識(shí)
電路舉例一施密特觸發(fā)器特性與原理基礎(chǔ)知識(shí)
電路舉例二
電路舉例三基礎(chǔ)知識(shí)施密特觸發(fā)器特性與原理集成施密特觸發(fā)器
應(yīng)用基礎(chǔ)
施密特觸發(fā)器就是帶有回差特性的門(mén)電路。如74HC14和74HC132等。74HC14:六反相器,74HC132:四2與非門(mén)。在VDD=6V時(shí),典型回差為0.9~1.2V。7.2.3應(yīng)用舉例
工程應(yīng)用7.2.3應(yīng)用舉例
工程應(yīng)用施密特觸發(fā)器應(yīng)用舉例3.幅度鑒別
施密特觸發(fā)器的輸出狀態(tài)取決于輸入信號(hào)的電壓值,因此可用作幅度鑒別。陰影部分電壓大于UT+7.3.0多諧振蕩器New!7.3.1晶體振蕩器7.3脈沖產(chǎn)生電路
單穩(wěn)回憶4.1.2單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器工作原理
基礎(chǔ)知識(shí)A以微分型為例7.3.0多諧振蕩器基礎(chǔ)知識(shí)A7.3.0多諧振蕩器基礎(chǔ)知識(shí)對(duì)稱(chēng)多諧振蕩器:7.3.0多諧振蕩器分析方法ABQQVth
Vth
對(duì)稱(chēng)多諧振蕩器:7.3.0多諧振蕩器ABQQVth
Vth
分析方法對(duì)稱(chēng)多諧振蕩器:7.3.0多諧振蕩器ABQQVth
Vth
分析方法對(duì)稱(chēng)多諧振蕩器:7.3.0多諧振蕩器ABQQVth
Vth
暫穩(wěn)態(tài)1暫穩(wěn)態(tài)2分析方法對(duì)稱(chēng)多諧振蕩器:7.3.0多諧振蕩器應(yīng)用基礎(chǔ)ABQQVth
Vth
tW1tW2對(duì)稱(chēng)多諧振蕩器:“多諧”能產(chǎn)生矩形脈沖的自激振蕩電路叫做多諧振蕩器。多諧振蕩器的計(jì)算
1、
對(duì)稱(chēng)式引起電路正反饋
結(jié)果C1充電C2放電∵∴
如設(shè)例:已知為74LS04反相器,
求:電路振蕩器頻率解:
非對(duì)稱(chēng)多諧振蕩器(CMOS多諧振蕩器)在t1時(shí)刻,
uo由0變?yōu)?,由于電容電壓不能躍變,故ui1必定跟隨uo發(fā)生正跳變,于是ui2(uo1)由1變?yōu)?。這個(gè)低電平保持uo為1,以維持已進(jìn)入的這個(gè)暫穩(wěn)態(tài)。在這個(gè)暫穩(wěn)態(tài)期間,電容C通過(guò)電阻R放電,使ui1逐漸下降。在t2時(shí)刻,ui1上升到門(mén)電路的開(kāi)啟電壓UT,使uo1(ui2)由0變?yōu)?,uo由1變?yōu)?。同樣由于電容電壓不能躍變,故ui1跟隨uo發(fā)生負(fù)跳變,于是ui2(uo1)由0變?yōu)?。這個(gè)高電平保持uo為0。至此,第一個(gè)暫穩(wěn)態(tài)結(jié)束,電路進(jìn)入第二個(gè)暫穩(wěn)態(tài)。第一暫穩(wěn)態(tài)及其自動(dòng)翻轉(zhuǎn)的工作過(guò)程第二暫穩(wěn)態(tài)及其自動(dòng)翻轉(zhuǎn)的工作過(guò)程在t2時(shí)刻,uo1變?yōu)楦唠娖?,這個(gè)高電平通過(guò)電阻R對(duì)電容C充電。隨著放電的進(jìn)行,ui1逐漸上升。在t3時(shí)刻,ui1上升到UT,使uo(ui1)又由0變?yōu)?,第二個(gè)暫穩(wěn)態(tài)結(jié)束,電路返回到第一個(gè)暫穩(wěn)態(tài),又開(kāi)始重復(fù)前面的過(guò)程。2非對(duì)稱(chēng)多諧振蕩器的計(jì)算CMOS門(mén)
正反饋結(jié)果暫穩(wěn)態(tài)
暫穩(wěn)態(tài)二結(jié)果
周期頻率∵
∴
例:已知:CMOS反相器CC4007,
求:
解:7.3.0多諧振蕩器擴(kuò)展知識(shí)環(huán)形多諧振蕩器:RC(改進(jìn))環(huán)形多諧振蕩器在t1時(shí)刻,ui1(uo)由0變?yōu)?,于是uo1(ui2)由1變?yōu)?,uo2由0變?yōu)?。由于電容電壓不能躍變,故ui3必定跟隨ui2發(fā)生負(fù)跳變。這個(gè)低電平保持uo為1,以維持已進(jìn)入的這個(gè)暫穩(wěn)態(tài)。在這個(gè)暫穩(wěn)態(tài)期間,uo2(高電平)通過(guò)電阻R對(duì)電容C充電,使ui3逐漸上升。在t2時(shí)刻,ui3上升到門(mén)電路的閾值電壓UT,使uo(ui1)由1變?yōu)?,uo1(ui2)由0變?yōu)?,uo2由1變?yōu)?。同樣由于電容電壓不能躍變,故ui3跟隨ui2發(fā)生正跳變。這個(gè)高電平保持uo為0。至此,第一個(gè)暫穩(wěn)態(tài)結(jié)束,電路進(jìn)入第二個(gè)暫穩(wěn)態(tài)。第一暫穩(wěn)態(tài)及其自動(dòng)翻轉(zhuǎn)的工作過(guò)程第二暫穩(wěn)態(tài)及其自動(dòng)翻轉(zhuǎn)的工作過(guò)程在t2時(shí)刻,uo2變?yōu)榈碗娖?,電容C開(kāi)始通過(guò)電阻R放電。隨著放電的進(jìn)行,ui3逐漸下降。在t3時(shí)刻,ui3下降到UT,使uo(ui1)又由0變?yōu)?,第二個(gè)暫穩(wěn)態(tài)結(jié)束,電路返回到第一個(gè)暫穩(wěn)態(tài),又開(kāi)始重復(fù)前面的過(guò)程。
圖(a)充電時(shí)的等效電路圖(b)放電時(shí)的等效電路
如:假定帶入上式后得到
7.3.0多諧振蕩器擴(kuò)展知識(shí)施密特多諧振蕩器:vivo設(shè)
【例6.4.3】已知圖6.4.15電路中的施密特觸發(fā)器為CMOS電路CC40106,
試求該電路的振蕩周期。解:由圖6.2.7(a)CC40106的電壓傳遞特性上查到
圖為脈沖占空比可調(diào)的多諧振蕩器振蕩器的頻率穩(wěn)定度(10-3)VTHfVTH不穩(wěn)定1)電源電壓、溫度變化
2)干擾石英晶體多諧振蕩器(10-10——10-11)7.3.1石英晶體多諧振蕩器7.3.1晶體振蕩器基礎(chǔ)知識(shí)電阻R1、R2的作用是保證兩個(gè)反相器在靜態(tài)時(shí)都能工作在線性放大區(qū)。對(duì)TTL反相器,常取R1=R2=R=0.7kΩ~2kΩ,而對(duì)于CMOS門(mén),則常取R1=R2=R=10kΩ~100kΩ;C1=C2=C是耦合電容,它們的容抗在石英晶體諧振頻率f0時(shí)可以忽略不計(jì);石英晶體構(gòu)成選頻環(huán)節(jié)。振蕩頻率等于石英晶體的諧振頻率f0。4.3.1晶體振蕩器基礎(chǔ)知識(shí)振蕩頻率等于石英晶體的諧振頻率f0。New!7.4.2定時(shí)器應(yīng)用舉例7.4.1555定時(shí)器7.4定時(shí)器
555定時(shí)器為數(shù)字—模擬混合集成電路??僧a(chǎn)生精確的時(shí)間延遲和振蕩,內(nèi)部有3個(gè)5KΩ的電阻分壓器,故稱(chēng)555。在波形的產(chǎn)生與變換、測(cè)量與控制、家用電器、電子玩具等許多領(lǐng)域中都得到了應(yīng)用。美國(guó)Signetics公司1972年研制,用于取代機(jī)械式定時(shí)器。返回電路組成(a)原理圖(b)外引線排列圖R=5kΩ
各公司生產(chǎn)的555定時(shí)器的邏輯功能與外引線排列都完全相同。
雙極型產(chǎn)品CMOS產(chǎn)品單555型號(hào)的最后幾位數(shù)碼5557555雙555型號(hào)的最后幾位數(shù)碼5567556優(yōu)點(diǎn)驅(qū)動(dòng)能力較大低功耗、高輸入阻抗電源電壓工作范圍5~16V3~18V負(fù)載電流可達(dá)200mA可達(dá)4mA555定時(shí)器的結(jié)構(gòu)及工作原理返回1.電路組成圖6-28555定時(shí)器(a)原理圖(b)外引線排列圖電阻分壓器電壓比較器基本RS觸發(fā)器放電管T緩沖器低電平觸發(fā)端高電平觸發(fā)端電壓控制端復(fù)位端低電平有效放電端4.5~16VCB555的電路結(jié)構(gòu)圖7.4.1555定時(shí)器(1)
電阻分壓器由3個(gè)5kΩ的電阻R組成,為電壓比較器C1和C2提供基準(zhǔn)電壓。(2)
電壓比較器
C1和C2。當(dāng)U+>U-時(shí),
UC輸出高電平,反之則輸出低電平。
CO為控制電壓輸入端。當(dāng)CO懸空時(shí),UR1=2/3VCC,UR2=1/3VCC。當(dāng)CO=UCO時(shí),UR1=UCO,UR2=1/2UCO
TH稱(chēng)為高觸發(fā)端,TR稱(chēng)為低觸發(fā)端。
(3)
基本RS觸發(fā)器其置0和置1端為低電平有效觸發(fā)。
R是低電平有效的復(fù)位輸入端。正常工作時(shí),必須使R處于高電平。
(4)
放電管T
T是集電極開(kāi)路的三極管。相當(dāng)于一個(gè)受控電子開(kāi)關(guān)。
輸出為0時(shí),T導(dǎo)通,輸出為1時(shí),T截止。(5)緩沖器緩沖器由G3和G4構(gòu)成,用于提高電路的負(fù)載能力。001①R=0時(shí),Q=1,uo=0,T導(dǎo)通。①R=0時(shí),Q=1,uo=0,T飽和導(dǎo)通。②R=1、UTH>2VCC/3、UTR>VCC/3時(shí),C1=0、C2=1,Q=1、Q=0,uo=0,T飽和導(dǎo)通。>2VCC/3>VCC/300011①R=0時(shí),Q=1,uo=0,T飽和導(dǎo)通。②R=1、UTH>2VCC/3、UTR>VCC/3時(shí),C1=0、C2=1,Q=1、Q=0,uo=0,T飽和導(dǎo)通。<2VCC/3>VCC/310011③R=1、UTH<2VCC/3、UTR>VCC/3時(shí),C1=1、C2=1,Q、Q不變,uo不變,T狀態(tài)不變。110①R=0時(shí),Q=1,uo=0,T飽和導(dǎo)通。②R=1、UTH>2VCC/3、UTR>VCC/3時(shí),C1=0、C2=1,Q=1、Q=0,uo=0,T飽和導(dǎo)通。<2VCC/3<VCC/311100③R=1、UTH<2VCC/3、UTR>VCC/3時(shí),C1=1、C2=1,Q、Q不變,uo不變,T狀態(tài)不變。④R=1、UTH<2VCC/3、UTR<VCC/3時(shí),C1=1、C2=0,Q=0、Q=1,uo=1,T截止。
555定時(shí)器的功能表
用555定時(shí)器接成的施密特觸發(fā)器回差電壓為典型的反向輸出施密特電路如參考電壓由外接的電壓供給,則通過(guò)改變值可以調(diào)節(jié)回差電壓的大小。用555定時(shí)器接成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器穩(wěn)態(tài)高電平,截止C充電,,,,導(dǎo)通,C經(jīng)迅速放電,
,,,;當(dāng)觸發(fā)脈沖的下降沿到達(dá),C充電輸入端的的觸發(fā)脈沖已消失后C迅速放電,電路進(jìn)入穩(wěn)態(tài)脈沖的寬度用555定時(shí)器接成的多諧振蕩器輸出脈沖的占空比為電路輸出脈沖的占空比始終大于50%。為了得到小于或等于50%的占空比,可以采用如圖6.5.8所示的改進(jìn)電路。電容C的充電時(shí)間變?yōu)榉烹姇r(shí)間為占空比為【例子6.5.1】試用CB555定時(shí)器設(shè)計(jì)一個(gè)多諧振蕩器,要求振蕩周期為1秒,輸出脈沖幅度大于3V而小于5V,輸出脈沖的占空比。解:由CB555的特性參數(shù)可知,當(dāng)電源電壓取為5V時(shí),在100mA地輸出電流下輸出電壓的典型值為3.3V,所以?。?V可以滿(mǎn)足對(duì)輸出脈沖幅度的要求。若取C=10
故2、由555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器接通VCC后,VCC經(jīng)R1和R2對(duì)C充電。當(dāng)uc上升到2VCC/3時(shí),uo=0,T導(dǎo)通,C通過(guò)R2和T放電,uc下降。當(dāng)uc下降到VCC
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