信号源的设计和制作-毕业设计

信号源的设计和制作学生：XX 指导教师：XX内容摘要：本文介绍了信号发生器的基本原理以及工作流程，在电子信息技术领域，经常要用到一些信号作为测量基准信号或输入信号，也就是所谓的信号源。信号源的好坏在很大程度上决定了系统的性能，因而常称之为电子系统的“心脏”。随着电子技术的发展，对信号源的要求越来越高，要求其输出频率高达微波频段甚至更高，及频率分辨率达到m级Hz甚至更小，相应频点数更多，频率转换时间达到ns级，频谱纯度高，同时对频率的功耗、体积、重量等也有更高的要求。要实现高性能的信号源，必须在技术手段上有新的突破。针对以上对信号源高性能的要求，研究和制作一款频率和分辨率更高、转换时间更少、频谱纯度更高的信号发生器成为了人们广泛关注的焦点。而基于DDS技术的产品，可以很好的达到上述各项性能的要求，为当今科技更好更快发展提供了有效的设备基础，正是在这样的背景下，高精度的信号发生器应运而生。关键词：信号发生器 频率歩进 占空比Signal source design and productionAbstract: This article describes the basic principles and workflow of the signal generator, in the field of electronic information technology, often use some of the signal as a measurement of the reference signal or input signal, but also the so-called source. The quality of the signal source to a large extent determine the performance of the system, often called the heart of the electronic system. With the development of electronic technology, the signal source to the output frequency up to even higher microwave frequency bands and frequency resolution of mHz or even smaller, the corresponding frequency points more frequency switching time of the ns-level high spectral purity, frequency power, volume, weight, have higher requirements. To achieve high-performance signal source must be a new breakthrough in technology means. The above performance requirements of the source, research and production of a frequency and a higher resolution, less conversion time, higher spectral purity of the signal generator has become the focus of widespread concern. DDS technology-based products can be good to achieve the above performance requirements of todays technology better and faster development of equipment, it is in this context, high-precision signal generator came into being.Keywords: Signal generator Frequency of stepper Duty cycle.II目 录前言11 方案论证11.1 波形产生11.1.1 正弦波产生21.1.2 方波产生21.2 幅度调整22 主要电路设计与计算22.1 系统原理总图22.2 直接数字合成32.2.1 DDS 的基本原理42.3 FPGA信号发生部分42.3.1 正弦波52.3.2 方波62.4 波形处理部分62.4.1 正弦波62.4.2 方波72.5 FSK信号输出72.6 单片机控制电路设计72.6.1 主要功能介绍82.7 调幅模块设计92.7.1 MC1496内部结构92.8 幅度控制103 软件设计113.1 软件实现思想113.2 软件流程图124 系统调试134.1 硬件电路调试134.1.1 调试过程134.1.2 调试经验总结134.2 软件调试134.3 总调试135 结束语15参考文献1717信号源的设计和制作前言本系统基于DDS工作原理并对累加器与地址存储器等加以优化，利用FPGA编程实现DDS硬件功能，实现了题目要求产生频率可调正弦波、占空比可调脉冲的设计目的。以单片机（AT89S51）为核心，实现对波形、频率、脉冲占空比、幅度调整等的选择与连续控制。同时，将设定的参数和相关信息通过LCD12864显示。所设计的信号发生器由振荡电路、稳幅电路、正弦波调幅电路、电压比较电路、脉冲波调幅电路组成。采用RC振荡方式产生振荡信号，通过二极管IN4148和运放TL082实现振荡信号稳幅，调幅之后输出正弦波信号，再经电压比较器和调幅电路实现脉冲波的占空比和幅度的变化。采用了多级电阻和多级双联电位器实现频率的分段和步进。信号发生器技术发展至今，引导技术潮流的仍是外国的几大仪器公司，如日本横河、Agilent、Tektronix等.美国的FLUKE公司的FLUKE-25型函数发生器是现有的测试仪器中最具多样性功能的几种仪器之一，它和频率计数器组合在一起，在任何条件下都可以给出很高的波形质量，能给出低失真的正弦波和三角波，还能给出过冲很小的方波，其最高频率可以达到5MHZ，最大输出幅度也达到10Vpp。国内也有不少公司已经有类似的仪器。如南京盛普仪器科技有限公司的SPF120DDS信号发生器，华高仪器生产的HG1600H型数字合成函数/任意波形信号发生器。1 方案论证本系统需设计制作一个能产生正弦波及脉冲波的信号源。其中要求信号频率在20HZ到20KHZ（可适当扩展到100KHZ）范围内实现程控步进可调，步长做到1HZ，脉冲波占空比在2%到98%间可实现步长为2%的程控调整，同时要求幅度可调，波形性能良好。综合这些因素，可知本系统的核心在于波形的产生（包括频率与占空比的控制）及幅度的程控。因此，方案考虑如下。1.1 波形产生1.1.1 正弦波产生方案一：采用函数发生器（如MAX038）产生波形，方法较为简便易行，但此方法产生的波步长进度较低且稳定度不高。方案二：采用锁相技术，通过VCO的频率锁定实现对波的步进及稳定性的高精度控制，但难以使输出频率范围达到要求，且硬件电路较为复杂不易调整，不适于产生低频信号。方案三：采用单片机控制查表实现，单片机既作为控制器，又作为信号发生器，节省了硬件开支，但为达到精度对单片机要求相对较高且存储空间较大。方案四：采用FPGA编程实现数字式频率合成（DDS），频率带宽较宽，频率转换时间较短，分辨率较高，可控性好。综上考虑，我们采用了方案四，实现正弦波的产生及频率控制。1.1.2 方波产生方案一：采用硬件电路直接振荡产生（如555芯片电路），产生的波频率较为稳定，但步进调整十分复杂，不利于精确控制。方案二：采用先产生正弦波，后经比较起比较得到。这样可以提高精度，但电路较复杂，成本高，调试不方便。方案三：采用FPGA直接计数分频得到，此法在保证范围满足要求时，使步进及占空比精度得到较大的提高，且实现要求所需硬件较低。综上，采用方案三，达到产生脉冲波及其占空比控制的目的。1.2 幅度调整方案一：利用VCA810、AD603等程控放大芯片，搭建电路实现。此法在步进调整时较为方便，易于控制，但调整精度不足。方案二：利用DAC0832或DAC0800等芯片实现控制要求。电路连接较为方便，可调整度高，精度满足要求。综合考虑，取用方案二。2 主要电路设计与计算2.1 系统原理总图 图2.1-1 系统原理总图2.2 直接数字合成（DDS） 直接数字合成（Direct Digital Synthesis、DDS）是一种新的频率合成技术和信号产 生的方法。直接数字频率合成器(DDS)具有超高速的频率转换时间，极高的频率分辨率和较低的相位噪声，在频率改变与调频时，DDS 能够保持相位的连续，因此很容易实现频率、相位和幅度调制。此外，DDS 技术大部分是基于数字电路技术的，具有可编程控制的突出优点。因此这种信号产生技术得到了越来越广泛的应用，很多厂家已经生产出了 DDS 专用芯片，这种器件成为当今电子系统及设备中频率源的首选器件。例如 ANALOG DEVICES 公司的 AD9850 就是一个可以工作在 125MHz 时频率的，具有 10bit DAC 的 DDS 芯片。AD9854 是一个可以 工作在 300MHz 时钟频率,具有 I/Q 两路 12bit DAC DDS 芯片。当今通信系统迅速发展，软件无线电成为很热门的话题，DDS 在这些系统中都成为很重要的一门技术。有兴趣的同学可以参考上面提到的两款芯片资料，了解当今 DDS 系统。2.2.1 DDS 的基本原理 DDS 的原理框图如图2.2.1-1所示。图中相位累加器可在每一个时钟周期来临时将频率控制钟字（TUNING WORD）M 累加一次，如果记数大于 2 N ，则自动溢出，而只保所决定的相位增量留后面的 N 位数字于累加器中。正弦查询表 ROM 用于实现从相位累加器输出的相位值到正弦 幅度值的转换，然后送到 DAC 中将正弦幅度值的数字量转变为模拟量，最后通过滤波器输出一个很纯净的正弦波信号。 图2.2.1-1 DDS原理框图 2.2.2 DDS 的各组成部分的具体参数及其相互关系 作为频率信号源，DDS 系统的输出频率范围、频率分辨率、频率稳定度、波形的谐波失真等是我们主要关心的指标。由于电路复杂性、价格及现有技术条件的限制，我们不可能无限地提高这些指标，那么这些限制关系是怎样的呢？下面我们做一些简要的分析。相位累加器的位数 N 、数模转换比特数 n 、时钟频率 f c 及其稳定度、LPF 的特性等是决定 DDS 系统指标的重要参数。事实上，我们可以认为DDS系统是模拟信号转化成数字信号的逆过程，即是将单频正弦模拟信号采样、量化的逆过程。单频正弦模拟信号的频率对应于DDS系统的输出信号频率，采样频率对应于DDS系统的时钟频率fc，量化比特数对应于DDS系统的数模转换比特数n。2.3 FPGA信号发生部分2.3.1 正弦波正弦波实现框图如下图所示：图2.3.1-1 正弦波实现框图在此系统部分中，我们对传统DDS发生器进行了两点改进：第一点，传统直接数字频率合成器的累加器采用。可溢出的L位累加器(或称相位累加器)产生正弦函数的相位变量。相位累加器每溢出一次，就代表正弦波型的一个周期。当相位累加器为32位时最高时钟频率为40MHZ时，最小频率精度约为0.0093。最小步进值的尾数不是零，最小频率四舍五约为0.0093在一定条件下，会发生两个不同频率控制字产生同一频率正弦波的现象。为此，我们采用了循环累加器加以优化，循环累加器有以下三个特点： 第一点，以循环相位累加器的溢出信号作为其后地址信号发生器的时钟，而不用累加器的高位输出作为地址信号。这样作，既可以避免因累加器高位输出信号不同步引起的竞争冒险问题，同时也降低了系统的复杂度，使其组成更趋于模块化。第二点，累加器加到最大值溢出后，以余值而不是零作为下一次累加的起始值。例如，当FCW=3，最大值为100时，加到99时，再加3，累加器溢出，输出一个脉冲的同时，以2作为下一次累加的起始值，依次循环下去。这样作，可以源头上避免因舍掉余值而引起的频率误差。第三点，循环相位累加器设置一个可调的最大值，而不是满偏值作为溢出值。例如，当累加器的字长为4时，可以设置10而不是16作为溢出值。这样设计，可以灵活地改变最大值，也就是累加器的模值，使得最后的步进值成为一个整数，不需要四舍五入，从而避免在合成频率时，频率余数的产生。利用正弦函数的对称性，在存储器中只存储四分之一周期内容。从相位累加器输出的L位中，高两位被用作确定象限，最高位正弦值的符号，次高位来决定寻址指针递增还是递减，低L-2位用作寻址波形存储器。2.3.2 方波方波电路以DDS为基础实现。为较好地对方波频率与占空比的控制调整，将方波一个周期分成均等的100份，用FPGA系统提供的40MHZ时钟为基准，为每一份所需时间精确定时，通过改变定时器的定时初值便严格的控制了方波的周期时间（即达到严格控制方波频率的目的）。在频率确定的基础上，我们再将这一百份中的N份输出电平设为高电平，其余设为低电平，那么，占空比便被设为了N%。2.4 波形处理部分2.4.1 正弦波为了使波形较好，在D/A的选择时，我们采用了高速的DAC0800来产生正弦波。但是从FPGA输出的正弦数据经DAC0800得到的正弦波信号中存在阶梯干扰并含有高频谐波，为解决这一问题，我们进行了滤波处理：第一点，因为从FPGA输出的正弦波数据存在较大的尖峰脉冲，极大地影响了波形的质量，我们将数据均经过75欧姆电阻后再送入D/A。第二点，对于波形中存在阶梯以及高次谐波噪声，可以通过低通滤波器加以滤除。为达到较好的滤波效果。我们将频率分为三部分，分别为0到200HZ、200HZ到20KHZ以及20KHZ到100KHZ并单独进行滤波处理，滤波电路如下图2.4.1-1所示。. 图2.4.1-1 滤波电路图正弦波中存在相位抖动。为此，决定采用相位补偿如图2.4.1-2所示。图2.4.1-2 相位补偿如图2.4.2 方波而对于方波，可以发现直接由FPGA生成的方波在上升沿及下降沿处都有尖峰脉冲，解决方法是在输出处串连一个电阻。这样做在消除尖峰脉冲时避免了脉冲波上升下降陡峭度不够，影响上升与下降时间。因此，在电阻的选取上需要尝试，并找到最合适的，电阻值大约为几十欧姆较佳（在我们的系统中75欧最佳）。2.5 FSK信号输出 由于电话线传输带宽有限，一般为300Hz到3000Hz，为了通过电话线实现远距离串行通信，一般需要使用调制解调器将数据信号变成模拟信号传输。频移键控（FSK）是一种调制方法。简单地说，就是使用两个单一频率的正弦信号分别代替数字信号的0和1。BELL202和CCITT V.23协议对正弦信号的频率和串行通信的波特率进行了具体的规定。2.6 单片机控制电路设计AT89S51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器FPEROM的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89S51是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。2.6.1 主要功能介绍P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。 P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。/PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。/EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。2.7 调幅模块设计2.7.1 MC1496内部结构振幅调制部分主要采用模拟乘法器集成芯片来实现。高频电子线路中的振幅调制，同相检波，混频，倍频，鉴频，鉴相等调制与解调的过程，都可以视为两个信号相乘或者包含相乘的过程。采用集成模拟乘法器实现上述功能比采用分立期间简单得多，而且性能优越。所以目前在无线通信，广播电视等方面应用较多。集成模拟乘法器的常见产品有MC1495/1496，LM1595/15966等。新产品有超高频模拟乘法器AD834（其带宽BW=500MHz1GHz），AD835，超高精度模拟乘法器AD734（其带宽BW=40MHz,精度为0.1%），其中后面三种也都是美国AD公司的产品。本系统用比较普通的MC1496来实现调幅功能，它是MOTOROLA公司生产的，是通信专用IC，也是业余无线电收发讯机常用IC。下面介绍一下MC1496芯片。MC1496是双平衡四象限模拟乘法器，其内部电路如图2.7.1-1所示：图2.7.1-1 MC1496内部电路图其中，T1，T2于T3，T4组成双差分放大器，集电极负载电阻是Rc1,Rc2。T5，T6组成的单差分放大器用于激励T1T4。T7，T8及其偏置电路构成恒流电路。引脚8和10接输入电压vx，1和4接另一输入电压vy，输出电压Vo从引脚6和12输出。引脚2和3外接电阻RE，对差分放大器T5，T6产生电流负反馈，可调节乘法器的信号增益，扩展输入电压Vy的线形动态范围，引脚14为负电源端（双电源供电时）或接地端（单电源供电时），引脚5外接R5，用来调节偏置电流I5及镜像电流IO的值。2.8 幅度控制 我们选用了8位串行D/A转换器DAC0832，运放采用LF356，使步进和带宽均满足要求。对DAC0832数据口送入幅度控制字，达到控制波形的幅度的目的,如下图2.8-1所示。为使最终输出波形较好，可以在运放的3、6脚间如图加一个20PF的电容。图2.8-1 幅度控制图另外，由于D/A与运放的非理想线性，致使幅值在200mv以下时有所起伏，非预置所要的值，为此我们通过测量将此范围内的幅值依次测出再由单片机编程给200mV以下部分加补偿，使之输出幅值与预置所要值一致。3 软件设计3.1 软件实现思想单片机完成对AD9851的控制和人机交互。40位数据分五次发送，系统以键盘为控制信息输入，单片机获取控制信号后处理，区别不同的状态，按照程序流程图，对系统进行控制，以达到题目要求。修改AD9851的频率控制字有并行和串行两种方式，由于系统由软件调频，要求频率变化的控制迅速，故采用并行方式控制AD9851, 提高速度，实现较好的调频效果。3.2 软件流程图图3.2-1 软件流程图DDS数据传送和启动时序如图3.2-2所示：图3.2-2 DDS数据传送和启动时序图4 系统调试根据方案设计要求，调试过程公分三大部分，硬件调试，软件调试，软件和硬件联调。电路按模块逐个调试，各模块调试通过后在联调。程序先在最小系统板调试，通过后在软硬联调。4.1 硬件电路调试4.1.1 调试过程高频电路抗干扰设计 AD9851的时钟频率很高，对周围的电路有一定的影响，我们采取了各种抗干扰措施。例如引线尽量短，减少交叉，尽量减少跳线，在电源输入端都加上去藕电容，数字地与模拟地分开，信号源与地尽量隔远，实践证明，这些措施对消除某些引脚上的毛刺及干扰噪声起到了很好的作用。将系统的各模块分开测试，调通后再进行整机调试，提高调试效率。4.1.2 调试经验总结第一点，系统属于高频电路，对干扰比较敏感，所以调试时应该远离高频干扰源。第二点，在安装元件的时候，要特别注意器件的安装。例如三极管的引脚对应，电解电容的极性等，如果安装的时候不注意，在调试时就容易出现问题。第三点，系统设计的是多模块的，一块板到另一块板的引线，电源的正负极性等要特别注意。解决问题的最好办法是用墨笔在板上做适当标注，这样不至于引起混淆。第四点，由于系统应用了高频电路，设计电路时应该在电源旁边放置适当值的电容，以减少电源对系统的干扰，数据输入输出的波形也会比较“干净”。总之，要设计出一个性能良好的系统需要注意许多问题，在硬件设计的时候为减少外干扰应加入滤波。4.2 软件调试本系统的软件系统采用C编写，调试也是分模块进行，各个模块调试通过函数调用，这样写结构明了，出错时容易查错。4.3 总调试按程序定义的各个口分别把线接好，然后把程序写进单片机控制各个模块。依据设计要求，分别对输出波形、输出电压峰峰值、输出频率和功率放大器输出测试。测试输出电压的峰峰值时，对放大电路和AGC电路参数的适当调整，使输出频率在010MHz之间变化时能够满足Vpp6V1V。测试数据如下：基本要求测试，正弦波频率范围测试，幅频特性曲线，接50负载，对输出电压测试，测试数据如表4.3-1：表4.3-1 输出电压测试表设置频率(Hz)实测频率(Hz)Vpp(V)100100.36.481k999.986.1210k1000016.12100k100K6.21M1.0002M6.6810M10.0003M5.313M13.0005M5.2频率稳定度测试，负载为50，采用频率计对输出正弦波进行测试，测试数据如表4.3-2：表4.3-2 频率稳定度测试设置频率(Hz)第一次计数数值第二次计数数值第三次计数数值101010.210.1100100.1100.1100.01k1.0001k999.98999.9810k10.0000k10.0001k10.0001k100k1000000k100.0000k100.0001k1M1.0001M1.0001M1.0001M5M5.00005M5.00004M5.00004M10M10.00002M10.00002M10.00001M表4.3-3 正弦波与方波的幅度测量预设幅度实际幅度100mv100mv500mv500mv1v1v2v2v3v3v3.3v3.3v4v4v表4.3-4 输出波形频率测试表波形类型预置频率实测频率波形失真误差 正 弦 波20HZ20HZ无0100HZ100HZ无0200HZ200HZ无0500HZ500HZ无01KHZ1KHZ无020KHZ20KHZ无050KHZ50KHZ无0100KHZ100KHZ无0由以上几个表可以知道，系统的稳定性极好，精度高。波形产生部分是此项目的核心所在，我们选取了采用FPGA编程实现DDS技术来完成它。在程序编写时，为使波形达到较佳，我们尝试了吞脉冲、软件加随机噪声去抖、算法计算正弦值等方案，取得了一些效果，但都不太理想。最终通过试验比较对累加器与地址存储的优化和运放DA转换器合理的选取达到将正弦波频率扩展到150KHZ，步进精度做到1HZ（最高可达0.1HZ）。各项指标到达到课题要求，并有一定提高，从实践中验证了我们选取的方案的正确性和可行性。5 结束语我们选取了采用DDS技术来完成毕业设计。为使波形达到较佳，我们尝试了吞脉冲、软件加随机噪声去抖、算法计算正弦值等方案，取得了一些效果，但都不太理想。最终通过试验比较对累加器与地址存储的优化和运放DA转换器合理的选取达到将正弦波频率扩展到150KHZ，步进精度做到1HZ（最高可达0.1HZ）。各项指标到达到课题要求，并有一定提高，从实践中验证了我们选取的方案的正确性和可行性。本毕业设计是在指导老师悉心指导下完成的。导师渊博的专业知识，严谨的治学态度，精益求精的工作作风，诲人不倦的高尚师德，严以律己、宽以待人的崇高风范，朴实无华、平易近人的人格魅力对我影响深远。使我树立了远大的学术目标、让我明白了许多待人接物与为人处世的道理。本毕业设计从选题到完成，倾注了指导老师大量的心血。在此，谨向指导老师XX老师和XX老师表示崇高的敬意和衷心的感谢！参考文献：1 全国电子设计竞赛组委会：全国电子设计竞赛获奖作品选集，北京理工大学出版社，2007.7，P126-P2872 谢自美：电子线路设计,华中理工大学出版社,2007.6,P86-P1663 夏宇闻：数字系统教程(第二版),北京航空航天大学出版社, 2008.5,P125-P2384 祁才君：数字信号处理技术的算法分析与应用,机械工业出版社, 2006.3,P98-P2365 马忠梅：单片机C语言应用程序设计（第三版）,北京航空航天大学出版社，2007.8,P86-P1666 邱关源：现代电路理论，高等教育出版社，2001.9，P67-P1697 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