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文檔簡介

1計(jì)算機(jī)仿真測量技術(shù)

本章介紹虛擬“電子工作臺”Multisim的工作界面、仿真電路的繪制方法以及在電子技術(shù)課程中實(shí)驗(yàn)仿真。

內(nèi)容提要:28.1概述

8.2Multisim的工作界面

8.3Multisim的操作使用方法

8.4典型電路仿真測試舉例

綜合實(shí)訓(xùn)計(jì)算機(jī)仿真電路測試

練習(xí)題

計(jì)算機(jī)仿真測量技術(shù)38.1 概述

Multisim虛擬“電子工作臺”是由美國NATIONALINSTRUMENTS公司推出的一款非常優(yōu)秀的專門用于電子電路設(shè)計(jì)與仿真的軟件,與其他電路仿真軟件相比,具有界面直觀、操作方便等優(yōu)點(diǎn)。創(chuàng)建電路、選用元器件和測試儀器等均可直接從屏幕上器件庫和儀器庫中直接選取。Multisim還是一個(gè)非常優(yōu)秀的電工電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練工具,作為電子技術(shù)類課程的輔助教學(xué)和實(shí)訓(xùn)手段。

48.2 Multisim10.0的工作界面8.2.1Multisim10.0的主窗口8.2.2Multisim10.0的漢化8.2.3Multisim10.0的常用工具欄

圖8-1Multisim10.0的主窗口58.2.1Multisim10.0的主窗口菜單欄工具欄元器件和儀器庫欄工具欄電路工作區(qū)68.2.2Multisim10.0的漢化其安裝過程如下:(1)將下載的漢化包“ZH”文件夾放到指定目錄下:\ProgramFiles\NationalInstruments\CircuitDesignSuite10.0\stringfiles;(2)再運(yùn)行Multisim,選擇菜單Options\GobalPreferences,在General選項(xiàng)卡中的languange欄選擇ZH,即中文。圖8-2漢化后的主窗口78.2.3Multisim10.0的常用工具欄Multisim的標(biāo)準(zhǔn)工具欄包含“新建”、“打開文件”、“打開設(shè)計(jì)范例”、“保存”、“打印”、“打印預(yù)覽”、“剪切”、“復(fù)制”、“粘貼”、“撤銷”、“重做”等常用編輯按鈕。其操作方法和功能與一般的軟件相同。圖8-3Multisim的元件欄8Multisim還提供了豐富的元件庫及各種常用測試儀器,為電路的創(chuàng)建與虛擬仿真帶來極大方便。單擊其中的某一個(gè)圖標(biāo)即可打開該庫。圖8-4Multisim的儀器欄信號源庫:有各種各樣的交直流電源,如接地、電池、直流電流源、交流電壓源、交流電流源、電壓源VCC等。基本元器件庫:有電阻器、電容器、電感器、變壓器、繼電器、開關(guān)等。二極管庫:有二極管、穩(wěn)壓二極管、發(fā)光二極管、全波橋式整流器等。晶體管庫:有NPN三極管、PNP三極管、場效應(yīng)管等。模擬集成電路庫:有運(yùn)算放大器、比較器、鎖相環(huán)等。9其它數(shù)字元件庫:有TIL按照功能存放的數(shù)字元件、FPGA現(xiàn)場可編程門電路、PLD可編程邏輯器件、CPLD復(fù)雜可編程邏輯器件、VHDL編程器件等。混合器件庫:有定時(shí)器、模數(shù)/數(shù)模轉(zhuǎn)換器、模擬開關(guān)等。顯示器件庫:有電壓表、電流表、探測器、蜂鳴器、燈泡、七段顯示數(shù)碼管、條形光柱等。電源模塊庫:有熔斷器、三端穩(wěn)壓器、PWM控制器等。其它器件庫:有晶振、開關(guān)電源升/降壓轉(zhuǎn)換器、有損傳輸線、無損傳輸線、濾波器、網(wǎng)絡(luò)等。TTL元件庫:有74系列TTL數(shù)字集成邏輯器件等。CMOS元件庫:有74HC系列和4XXX系列等CMOS數(shù)字集成邏輯器件等。10外圍設(shè)備庫:有數(shù)字鍵盤、LCD顯示器、終端等。射頻元件庫:有射頻電容器、射頻電感器、射頻NPN/PNP晶體管、射頻MOS場效應(yīng)管、傳輸線等。機(jī)電元件庫:有感測開關(guān)、瞬間開關(guān)、聯(lián)動(dòng)開關(guān)、定時(shí)接觸器、線圈與繼電器、線性變壓器、保護(hù)裝置、輸出設(shè)備等。微處理器庫:有805X系列、PIC、ROM、RAM等。118.3.1電路的創(chuàng)建8.3.2儀器的操作8.3.3電子電路的仿真操作過程

8.3Multisim的操作使用方法12電路是由元器件和導(dǎo)線組成的,要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)電路,必須掌握元器件的操作和導(dǎo)線的連接方法。

1.元器件的操作元器件的選用:從元器件庫中將該元器件拖曳至電路工作區(qū)。選中元器件:用鼠標(biāo)器左鍵單擊該元器件圖標(biāo)。取消元器件選中:單擊電路工作區(qū)的空白部分。元器件的移動(dòng):選中拖曳該元器件即可。

元器件的旋轉(zhuǎn)與翻轉(zhuǎn):選中該元器件,“旋轉(zhuǎn)”、“垂直翻轉(zhuǎn)”、“水平翻轉(zhuǎn)”等按鈕。元器件的復(fù)制、刪除:對選中的元器件,可直接在標(biāo)準(zhǔn)工具欄中選擇相應(yīng)按鈕;或菜單命令進(jìn)行相應(yīng)操作;或在元件上右擊選擇彈出菜單中的命令。刪除操作可對選中的元件用Delete鍵,或在右鍵菜單中選擇“刪除”命令。8.3.1電路的創(chuàng)建138.3.1電路的創(chuàng)建元器件的屬性:雙擊元器件,或右擊選擇彈出菜單中的“屬性”命令,會(huì)彈出相關(guān)的對話框。圖8-5元件屬性對話框148.3.1電路的創(chuàng)建1.修改元件屬性在“參數(shù)”選項(xiàng)卡中,可設(shè)置元器件的數(shù)值?!肮收稀边x項(xiàng)卡可供人為設(shè)置元器件的隱含故障,提供了無故障、開路、短路、漏電等設(shè)置。15

2.導(dǎo)線的操作8.3.1電路的創(chuàng)建

導(dǎo)線的連接:將鼠標(biāo)指向元器件的端點(diǎn)使其出現(xiàn)一個(gè)小黑圓點(diǎn),按下鼠標(biāo)左鍵并拖曳出一根導(dǎo)線;拉住導(dǎo)線并指向另一個(gè)元器件的端點(diǎn)使其出現(xiàn)小圓點(diǎn);釋放鼠標(biāo)左鍵,則導(dǎo)線連接完成。連線的刪除與改動(dòng):選中連線,選擇“編輯”/“刪除”,或按Delete鍵,或右擊選擇“刪除”命令,完成導(dǎo)線刪除。也可以將拖曳移開的導(dǎo)線連至另一接點(diǎn),實(shí)現(xiàn)連線的改動(dòng)。向電路中插入元器件:將元器件直接拖曳在導(dǎo)線上,然后釋放即可插入電路中。連接點(diǎn)的使用:選擇“放置”/“節(jié)點(diǎn)”,可將連接點(diǎn)放于合適位置。一個(gè)連接點(diǎn)最多可以連接來自四個(gè)方向的導(dǎo)線。168.3.2儀器的操作

儀器庫存放有虛擬儀器有:數(shù)字多用表、函數(shù)信號發(fā)生器、示波器、波特圖儀、字信號發(fā)生器、邏輯分析儀和邏輯轉(zhuǎn)換儀。需要觀察測試數(shù)據(jù)與波形或者需要設(shè)置儀器參數(shù)時(shí),可以雙擊儀器圖標(biāo)打開儀器面板。選用儀器可以從儀器庫中將相應(yīng)的儀器庫圖標(biāo)拖曳至電路工作區(qū)。不使用的儀器可以拖曳回儀器存放欄,與儀器相連的導(dǎo)線會(huì)自動(dòng)消失。178.3.2儀器的操作

1.萬用表(Multimeter)圖8-7萬用表的圖標(biāo)與面板188.3.2儀器的操作

設(shè)置多用表的內(nèi)部參數(shù)圖8-8萬用表內(nèi)部參數(shù)設(shè)置198.3.2儀器的操作

虛擬電壓表和電流表圖8-9指示元件庫中的電壓表和電流表注意:這兩種電表存放在指示元件庫中。在顯示屏右側(cè)以“V”/“A”表示電壓表或電流表,左側(cè)以“+”/“-”表示極性;“DC”為直流模式,“10MΩ”和“1e-009Ω”為電壓表或電流表內(nèi)阻值。208.3.2儀器的操作

2.函數(shù)信號發(fā)生器(FunctionGenerator)

圖8-10函數(shù)信號發(fā)生器圖標(biāo)和面板

用來產(chǎn)生正弦波、三角波和方波信號。占空比參數(shù)主要用于三角波和方波波形的調(diào)整。振幅參數(shù)是指信號波形的峰值。3個(gè)輸出端分別為接地端“公共”,正波形端“+”和負(fù)波形端“-”。218.3.2儀器的操作

3.功率表(Wattmeter)圖8-11功率表的圖標(biāo)和面板功率表的圖標(biāo)中有兩組接線端,分別為電壓輸入端和電流輸入端,電壓輸入端應(yīng)與所測電路并聯(lián),電流輸入端應(yīng)與電路串聯(lián)。所測得的功率為平均功率,自動(dòng)調(diào)整單位顯示于面板上面的欄內(nèi)。功率因數(shù)亦顯示于面板中,數(shù)值在0~1之間。228.3.2儀器的操作

4.示波器(Oscilloscope)圖8-12示波器的圖標(biāo)及面板通過拖曳指示線可以讀取波形任意一點(diǎn)的讀數(shù)或兩上指針間讀數(shù)的差值。按下“反向”按鈕可以改變示波器屏幕的背景顏色??稍?fs/div~1000Ts/div的范圍內(nèi)調(diào)整電壓比例范圍為1fv/div~1000TV/div238.3.2儀器的操作

5.波特圖示儀(BodePlotter)

波特圖示儀用來測量電路的幅頻特性和相頻特性。圖8-13波特圖示儀的圖標(biāo)及面板使用時(shí),須在電路的輸入端接入AC(交流)信號源,對信號頻率無特殊要求頻率的初始值I(Initial)最終值F(Final)注意:如有修改,建議重新啟動(dòng)電路248.3.2儀器的操作

6.頻率計(jì)(Frequencycouter)

頻率計(jì)用于測量信號頻率、周期、脈沖信號的上升沿和下降沿等。圖8-14頻率計(jì)的圖標(biāo)及面板使用時(shí)應(yīng)注意根據(jù)輸入信號的幅值調(diào)整頻率計(jì)的靈敏度和觸發(fā)電平。258.3.2儀器的操作

7.字信號發(fā)生器(WordGenerator)

圖8-15字信號發(fā)生器圖標(biāo)及面板字信號發(fā)生器實(shí)際上是一個(gè)多路邏輯信號源,它能夠產(chǎn)生32位(路)同步數(shù)字信號,送給數(shù)字邏輯電路工作。圖標(biāo)上共有32個(gè)接線柱,應(yīng)從最低位開始用。通過工作面板可以實(shí)現(xiàn)對編碼脈沖序列的設(shè)置?!懊}沖”方式,即所有地址中的數(shù)據(jù)依次輸出一遍,不再循環(huán);“Step”為步進(jìn)輸出,單擊一次Step按鈕,字信號輸出一條??捎糜趯﹄娐愤M(jìn)行單步調(diào)試。“內(nèi)部”觸發(fā)時(shí),直接由輸出方式按鈕(循環(huán)、脈沖、Step)啟動(dòng);“外部”觸發(fā)時(shí),則需接入外觸發(fā)脈沖信號,并定義“上升沿觸發(fā)”或“下降沿觸發(fā)”,然后單擊輸出方式按鈕,待觸發(fā)脈沖到來時(shí)才啟動(dòng)輸出。268.3.2儀器的操作

8.邏輯分析儀(LogicAnalyzer)

邏輯分析儀可以同步記錄和顯示16路邏輯信號。它可以用于對數(shù)字邏輯信號的高速采集和時(shí)序分析,是分析與設(shè)計(jì)復(fù)雜數(shù)字系統(tǒng)的有力工具圖8-16邏輯分析儀的圖標(biāo)278.3.2儀器的操作

8.邏輯分析儀(LogicAnalyzer)

圖8-17邏輯分析儀的面板實(shí)時(shí)顯示各路邏輯信號的當(dāng)前值波形顯示的時(shí)間軸刻度288.3.2儀器的操作

8.邏輯分析儀(LogicAnalyzer)

“觸發(fā)限制”對觸發(fā)有控制作用。若該位設(shè)為X,觸發(fā)控制不起作用,觸發(fā)完全由觸發(fā)字決定;若該位設(shè)置為1(或0),則僅當(dāng)觸發(fā)控制輸入信號為1(或0)時(shí),觸發(fā)字才起作用;否則即使觸發(fā)字組合條件滿足也不能引起觸發(fā)。圖8-19“觸發(fā)設(shè)置”框三個(gè)觸發(fā)字的默認(rèn)設(shè)置為XXXXXXXXXXXXXXXX,表示只要第一個(gè)輸入信號到達(dá),無論是什么邏輯值,邏輯分析儀均被觸發(fā)開始波形的采集。否則必須滿足觸發(fā)字的組合條件才被觸發(fā)。298.3.2儀器的操作

8.邏輯分析儀(LogicAnalyzer)

“觸發(fā)限制”對觸發(fā)有控制作用。若該位設(shè)為X,觸發(fā)控制不起作用,觸發(fā)完全由觸發(fā)字決定;若該位設(shè)置為1(或0),則僅當(dāng)觸發(fā)控制輸入信號為1(或0)時(shí),觸發(fā)字才起作用;否則即使觸發(fā)字組合條件滿足也不能引起觸發(fā)。圖8-19“觸發(fā)設(shè)置”框三個(gè)觸發(fā)字的默認(rèn)設(shè)置為XXXXXXXXXXXXXXXX,表示只要第一個(gè)輸入信號到達(dá),無論是什么邏輯值,邏輯分析儀均被觸發(fā)開始波形的采集。否則必須滿足觸發(fā)字的組合條件才被觸發(fā)。308.3.2儀器的操作

9.邏輯轉(zhuǎn)換器(LogicConverter)

邏輯轉(zhuǎn)換器是Multisim特有的虛擬儀器,實(shí)際工作中不存在與之對應(yīng)的設(shè)備。邏輯轉(zhuǎn)換器能完成真值表、邏輯表達(dá)式和邏輯電路三者之間的相互轉(zhuǎn)換。由電路導(dǎo)出真值表的方法步驟是:畫出邏輯電路圖將其輸入端連接至邏輯轉(zhuǎn)換器的輸入端輸出端連接至邏輯轉(zhuǎn)換器的輸出端按下“電路→真值表”按鈕318.3.2儀器的操作

9.邏輯轉(zhuǎn)換器(LogicConverter)

圖8-20邏輯轉(zhuǎn)換器的圖標(biāo)和面板由真值表也可以導(dǎo)出邏輯表達(dá)式。利用邏輯轉(zhuǎn)換器這一虛擬儀器可提供便利,如檢驗(yàn)表達(dá)式的化簡、變換等結(jié)果、電路圖是否正確。328.3.2儀器的操作

10.IV分析儀

IV分析儀即晶體管特性圖示儀,用于對二、三極管特性進(jìn)行測試。圖8-21IV分析儀的圖標(biāo)和面板338.3.2儀器的操作

11.失真分析儀(DistortionAnalyzer)

失真分析儀主要用于測量低頻信號的非線性失真。一正弦波信號經(jīng)非線性網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)輸出后,其成分除與原頻率相同的基波分量外,還存在各種諧波分量。其失真程度用失真系數(shù)即失真度表示,為諧波總的功率與基波功率之比的平方根。圖8-22失真分析儀的圖標(biāo)和面板開始仿真后,“啟動(dòng)”按鈕將自動(dòng)開啟,一段時(shí)間后顯示數(shù)值才會(huì)達(dá)到穩(wěn)定點(diǎn)擊“停止”即可讀出測試結(jié)果348.3.2儀器的操作

12.頻譜分析儀(SpectrumAnalyzer)

頻譜分析儀用于測量信號幅度與頻率之間的關(guān)系,即頻域分析。圖8-23頻譜分析儀的圖標(biāo)和面板可設(shè)置量程,即頻率范圍以及中心頻率、起始頻率。用于選擇頻譜縱坐標(biāo)刻度信號頻譜中某一幅值所對應(yīng)頻率范圍用于設(shè)置頻率分辨率,其值越大則頻譜寬度越大,分辨率下降,而分辨率越小分析時(shí)間將越長。358.3.2儀器的操作

13.網(wǎng)絡(luò)分析儀(NetworkAnalyzer)

網(wǎng)絡(luò)分析儀是測量網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的一種新型儀器,能夠直接測量單端口/雙和口端網(wǎng)絡(luò)的各種參數(shù),如測量衰減器、放大器、混頻器、功率分配器等電子電路及元件的特性。Multisim提供的網(wǎng)絡(luò)分析儀可以測量電路的S參數(shù)并計(jì)算出H、Y、Z參數(shù)。圖8-24網(wǎng)絡(luò)分析儀的圖標(biāo)和面板368.3.3電子電路的仿真操作過程電子電路的仿真通常可按下列步驟進(jìn)行:1.連接電路與儀器2.電路文件的存盤與打開3.電路的仿真實(shí)驗(yàn)4.實(shí)驗(yàn)結(jié)果的輸出378.4電路仿真測試舉例8.4.1電路基礎(chǔ)應(yīng)用舉例8.4.2模擬電路應(yīng)用舉例8.4.3數(shù)字電路應(yīng)用舉例388.4.1電路基礎(chǔ)應(yīng)用舉例1.直流電路分析(1)電阻的測量由P=U2/R,得R=U2/P=62/3=12Ω圖8-25數(shù)字多用表測燈泡電阻直接使用數(shù)字多用表的歐姆檔測量即可,測試結(jié)果與理論計(jì)算相同。398.4.1電路基礎(chǔ)應(yīng)用舉例1.直流電路分析(2)串并聯(lián)電路的電壓和電流的測量圖8-26串、并聯(lián)測試電路408.4.1電路基礎(chǔ)應(yīng)用舉例2.交流電路分析圖8-27電容電路418.4.1電路基礎(chǔ)應(yīng)用舉例2.交流電路分析圖8-28電容兩端外加交流電壓與流過電流的相位關(guān)系428.4.2模擬電路應(yīng)用舉例1.測量靜態(tài)工作點(diǎn)圖8-29測量單管共射放大電路靜態(tài)工作點(diǎn)438.4.2模擬電路應(yīng)用舉例1.測量靜態(tài)工作點(diǎn)(1)測量靜態(tài)工作電流如圖,在三極管集電極串入直流電流表,在基極、發(fā)射極和集電極并上直流電壓表。接通電路電源,調(diào)節(jié)RW使IC=1mA,或IC=VE/Re=1mA。圖中電流表的實(shí)測值為1.011mA,或通過換算IC=IE=VE/Re=1.011mA。(2)測量靜態(tài)工作電壓從圖中的電壓表中可以讀出:VB=1.633V,VE=1.011V,VC=6.872V,通過計(jì)算可以得出VBE=0.622V,VBC=-5.239V,滿足放大電路BE結(jié)正偏,BC結(jié)反偏的條件。448.4.2模擬電路應(yīng)用舉例2.測量放大倍數(shù)圖8-30測量共射放大電路的放大倍數(shù)458.4.2模擬電路應(yīng)用舉例2.測量放大倍數(shù)

如圖8-30所示,接入負(fù)載,輸入端加入1KHz正弦波,幅度為1mV,輸出端并聯(lián)交流電壓表。接通電路電源,用示波器觀察波形有無失真,在無失真的情況下測得電壓表電壓為20mV;故電路放大倍數(shù)為AV=20/1=20。

可以直接通過示波器的指示得到放大器的放大倍數(shù),A通道為輸入信號,B通道為輸出信號。如圖8-31所示,在T1時(shí)間,VA1=-997.817uV,VB1=27.248mV,則放大器的放大倍數(shù)為:AV=VB1/VA1=-27.248/0.997817=-27.308468.4.2模擬電路應(yīng)用舉例2.測量放大倍數(shù)從圖中還可知道,輸出電壓與輸入電壓是反相的。

圖8-31共射放大電路輸入/輸出電壓波形478.4.3數(shù)字電路應(yīng)用舉例1.組合邏輯電路設(shè)計(jì)一般組合邏輯電路設(shè)計(jì)過程可歸納為:(1)分析給定問題列出真值表(2)由真值表求得簡化的邏輯表達(dá)式(3)根據(jù)表達(dá)式畫出邏輯電路圖。

這一過程可借助邏輯轉(zhuǎn)換儀完成。488.4.3數(shù)字電路應(yīng)用舉例1.組合邏輯電路設(shè)計(jì)例:試設(shè)計(jì)一個(gè)表決電路,有三人進(jìn)行表決,當(dāng)有兩人或兩人以上同意時(shí)決議才算通過。解:設(shè)三個(gè)輸入為A、B、C表示三人,同意為邏輯“1”(接入“+5V”),不同意為邏輯“0”(接入“地”),分別用開關(guān)K1、K2、K3控制;決議結(jié)果用一個(gè)輸出Y表示,用指示燈顯示,決議通過為邏輯“1”(燈亮),不通過為邏輯“0”(燈滅)。

498.4.3數(shù)字電路應(yīng)用舉例1.組合邏輯電路設(shè)計(jì)圖8-32真值表與簡化邏輯表達(dá)式508.4.3數(shù)字電路應(yīng)用舉例1.組合邏輯電路設(shè)計(jì)(1)打開邏輯轉(zhuǎn)換儀面板,在真值表區(qū)域點(diǎn)擊A、B、C三個(gè)邏輯變量建立一個(gè)真值表,根據(jù)邏輯控制要求在真值表區(qū)輸出變量列中填入相應(yīng)的值(如圖8-32所示)。

(2)點(diǎn)擊邏輯轉(zhuǎn)換儀面板上“真值表→簡化邏輯表達(dá)式”按鈕,求得簡化的邏輯表達(dá)式。(3)點(diǎn)擊邏輯轉(zhuǎn)換儀面板上“表達(dá)式→電路”按鈕,獲得邏輯電路如圖8-33所示。518.4.3數(shù)字電路應(yīng)用舉例1.組合邏輯電路設(shè)計(jì)(4)邏輯功能測試:在獲得的邏輯電路的輸入端接入三個(gè)開關(guān)[K]、[M]、[N],用來選擇“+5V”或“地”,輸出端Y接指示燈L,如圖8-33所示。

圖8-33三人表決邏輯電路528.4.3數(shù)字電路應(yīng)用舉例2.用“反饋歸零”法組成任意進(jìn)制計(jì)數(shù)器

組成N進(jìn)制計(jì)數(shù)器:要將計(jì)數(shù)器第N狀態(tài)中輸出為“1”的Q端經(jīng)過“與門”或“與非門”后獲取復(fù)位信號控制清零端即可。下面構(gòu)成六進(jìn)制為例538.4.3數(shù)字電路應(yīng)用舉例2.用“反饋歸零”法組成任意進(jìn)制計(jì)數(shù)器將脈沖源及計(jì)數(shù)器的輸出端接邏輯分析儀,工作波形如圖8-35所示,兩個(gè)讀數(shù)指針之間是一個(gè)六進(jìn)制計(jì)數(shù)周期工作波形。圖8-3574160組成的六進(jìn)制計(jì)數(shù)器工作波形54隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,電路仿真系統(tǒng)將實(shí)驗(yàn)臺“搬到”了計(jì)算機(jī)屏幕上,與傳統(tǒng)的電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)相比較,具有快速、安全、省材等特點(diǎn),大大提高工作效率。它可以進(jìn)行電路參數(shù)設(shè)置,模擬電路故障,并可以對電路進(jìn)調(diào)試和測試,功能齊全。Multisim10.0是由美國NationalInstruments公司推出的一款非常優(yōu)秀的用于電路設(shè)計(jì)與虛擬仿真的軟件,除了對一般電子電路的虛擬仿真外,還在

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