数字钟电路设计.docx
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数字钟电路设计.docx
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数字钟电路设计
前言
在高新技术日新月异的今天,科学技术已经成为整个社会发展的源动力,电子领域的发展更是令人目不暇接,在其推动下,现代电子产品几乎渗透了社会的各个领域,遍及了千家万户,有力地推动了社会生产力的发展和社会信息化程度的提高,同时也使现代电子产品性能进一步提高,产品更新换代的节奏也越来越快。
使课程设计越来越受到人们的重视,通过课程设计。
可以设计出更好更新的科技产品,这将给科技的发展带来很好的积极作用,也使科技的水平得到一定的提高。
同时也可以提高同学们的逻辑思维能力和创新意识。
电子技术密切联系实际,实用性很强,开展电子技术课程设计在电子电气类是非常重要的,不尽可以学好专业知识,还可以增强动手能力,有利于我们适应未来这个竞争激烈的社会,训练我们综合运用知识能力资料素材的查阅及收集能力,电子元器件的采购,电子电路的组装和调试能力,特别是在电路多样化的创新方面,从理性和感性上都得到了很大的提高,经过查阅资料,选择方案,设计电路等过程,各方面都得到了训练。
钟表的数字化给人们生产生活带来了极大的方便,而且大大地扩展了钟表原先的报时功能。
诸如定时自动报警、按时自动打铃、时间程序自动控制、定时广播、定时启闭电路、定时开关烘箱、通断动力设备,甚至各种定时电气的自动启用等,所有这些,都是以钟表数字化为基础的。
因此,研究数字钟及扩大其应用,有着非常重要的作用。
第一章绪论。
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1.1设计简述。
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第二章电路设计方案。
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2.1设计题目。
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2.2设计目的。
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2.3设计要求。
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第三章数字钟原理。
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3.1数字钟的基本组成及其原理框图。
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3.2数字钟的工作原理。
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3.3电路原理。
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3.4计数、译码、显示电路分析。
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第四章电路的安装与调试。
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设计小结。
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参考文献。
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第一章绪论
设计简述
数字钟是一种用数字电路技术实现时、分、秒计时的装置,与机械式时钟相比具有更高的准确性和直观性,且无机械装置,具有更长的使用寿命,因此得到了广泛的使用数字电子钟,从原理上讲是一种典型的数字电路,其中包括了组合逻辑电路和时序电路。
数字钟实际上是一个对标准频率(1HZ)进行计数的计数电路。
由于计数的起始时间不可能与标准时间(如北京时间)一致,故需要在电路上加一个校时电路,同时标准的1HZ时间信号必须做到准确稳定。
通常使用石英晶体振荡器电路构成数字钟。
此次设计数字电子钟就是为了了解数字电子钟的原理,从而学会制作数字电子钟。
而且通过数字电子钟的制作进一步的了解各种在制作中用到的中小规模集成电路的作用及实用方法。
且由于数字钟包括组合逻辑电路和时序电路。
通过它可以进一步学习与掌握各种组合逻辑电路与时序电路的原理与使用方法。
数字电子钟同以下几部分组成:
石英晶体振荡器、分频器、秒脉冲发生器、校正电路、整点报时电路、10进制的秒、分计时器和24进制计时计数器以及秒、分、时的译码显示部分等。
第二章电路设计方案
2.1设计题目
《数字钟电路设计》
2.2设计目的
1、电子技术毕业设计的目的在于提高学生在电子技术方面的实践技能,培养综合利用理论知识解决实际问题的能力和科学作风,初步掌握工程设计方法和组织实践的基本技能,逐步熟悉开展科学实践的程序和方法。
2、培养运用所学的理论知识,独立地设计、制作电子产品的能力。
2.3设计要求
1、时间以24小时为一个周期;
2、时、分、秒为十进制数字显示(小时为二十四进制)计数器;
3、有校时、分的功能,可以分别对时及分进行单独校时,使其校正到标准时间;
4、计时过程具有报时功能,整点能够提供报时功能,报时声响为四底一高,最后一响正好为整点;
5、为了保证计时的稳定及准确须由晶体振荡器提供表针时间基准信号;电路具有可调时功能。
第三章数字钟的设计原理
3.1数字钟的基本组成
数字钟电路实际上是一个对标准频率(1HZ)进行计数的计数电路。
由于计数的起始时间不可能与标准时间(如北京时间)一致,故需要在电路上加一个校时电路,同时标准的1HZ时间信号必须做到准确稳定。
通常使用石英晶体振荡器电路构成数字钟。
如下图1所示为数字钟的一般构成框图。
⑴晶体振荡器
晶体振荡器是给数字钟提供一个频率稳定准确的32768Hz的方波信号,可保证数字钟的走时准确及稳定。
不管是指针式的电子钟还是数字显示的电子钟都使用了晶体振荡器。
⑵多级分频器
多级分频器将32768Hz的高频方波信号经32768()次分频后得到1Hz的方波信号供秒计数器进行计数。
分频器实际上也就是计数器。
⑶时间计数器
时间计数器是由秒个位和秒十位计数器,分个位和分十位计数器及时个位和时
十位计数器电路构成的,其中秒个位和秒十位计数器,分个位和分十位计数器为十进制计数器,而根据设计要求,时个位和时十位计数器为二十四进制计数器。
⑷译码驱动电路
译码驱动电路将计数器输出的8421BCD码转换为数码管需要的逻辑状态,并且为保证数码管正常工作提供足够的工作电流。
⑸数码管
数码管通常有发光二极管(LED)数码管和液晶(LCD)数码管,本设计提供的为LED数码管。
图1数字钟原理框图
3.2数字钟的工作原理
重要概念的解释
反馈:
将放大电路输出量的一部分或全部,通过一定的方式送回放大电路的输入端。
耦合:
是指信号由第一级向第二级传递的过程。
石英晶体振荡器的具体工作原理
振荡器是数字钟的心脏,它是产生时间标准"秒'信号的电路。
它的频率和稳定性直接影响表的精度。
石英晶体振荡器的特点是振荡频率准确、电路结构简单、频率易调整。
它被广泛应用于彩电、计算机、遥控器等各类振荡电路中。
它还具有压电效应:
在晶体某一方向加一电场,晶体就会产生机械变形;反之,若在晶片的两侧施加机械压力,则在晶片相应的方向上将产生电场,这种物理现象称为压电效应。
在这里,我们在晶体某一方向加一电场,从而在与此垂直的方向产生机械振动,有了机械振动,就会在相应的垂直面上产生电场,从而使机械振动和电场互为因果,这种循环过程一直持续到晶体的机械强度限制时,才达到最后稳定,这种压电谐振的频率即为晶体振荡器的固有频率。
如下图所示该电路产生的时基信号的频率为fo=100kHz。
电路中的三个CMOS与非门分别接成反相器电路。
Rf为反相器G1的反馈电阻,意在提供合适的偏置,使反相器G1工作在电压传输特性的转折区,处在放大状态,电路易于起振。
该电路的特点频率比较稳定,但波形不够理想,所以又加了G3整形缓冲电路,从而得到矩形脉冲输出。
Rf取值要适中,太大会使偏置不稳定,太小会使反馈电路损耗增加,所以取阻值为100K耦,C1为负载电容同石英晶体串联,选用8~16pF微调电容,以对振荡频率作微量调整,电容C2是为了防止寄生振荡。
图2石英晶体振荡器电路
晶体振荡器是构成数字式时钟的核心,它保证了时钟的走时准确及稳定。
一般输出为方波的数字式晶体振荡器电路通常有两类,一类是用TTL门电路构成;另一类是通过CMOS非门构成的电路,如图2所示,从图上可以看出其结构非常简单。
该电路广泛使用于各种需要频率稳定及准确的数字电路,如数字钟,电子计算机,数字通信电路等。
CMOS非门U1与晶体,电容和电阻构成晶体振荡器电路,U2实现整形功能,将振荡器输出的近似于正弦波的波形转换为较理想的方波。
输出反馈电阻为非门提供偏置,使电路工作于放大区域,即非门的功能近似于一个高增益的反相放大器。
电容C1,C2与晶体构成一个谐振型网络,完成对振荡频率的控制功能,同时提供了一个180度相移,从而和非门构成一个正反馈网络,实现了振荡器的功能。
由于晶体具有较高的频率稳定性及准确性,从而保证了输出频率的稳定和准确。
2)分频器电路
由于石英晶体振荡器产生的频率很高,要得到秒脉冲,需要用分频电路。
例如,振荡器输出4MHz信号,通过D触发器(74LS74)进行4分频变成1MHz,然后送到10分频计数器(74LS90,该计数器可以用8421码制,也可以用5421码制),经过6次10分频而获得1Hz方波信号作为秒脉冲信号。
数字钟的晶体振荡器输出频率较高,为了得到1Hz的秒信号输入,需要对振荡器的输出信号进行分频。
通常实现分频器的电路是计数器电路,一般采用多级2进制计数器来实现。
例如,将32768Hz的振荡信号分频为1HZ的分频倍数为32768,即实现该分频功能的计数器相当于15级2进制计数器。
分频器的具体工作原理
分频器:
由1KHZ时钟,经过2分频与1千分频得到500HZ,1HZ两个时,1KHZ,500HZ为整点报时/闹铃的蜂鸣器驱动脉冲,其中1KHZ作为八进制计数脉冲。
1HZ为计数脉冲。
计时/校时部分:
完成60S,60M,24H计数功能。
按MIN键时,进入分校时状态。
按HOUR键时,进入时校时状态。
选择,译码,输出:
当MD=1’时,数码管显示闹铃预置时间。
当MD=0’时,显示正常计数状态下时,分,秒。
当MD=0’时,显示正常计数状态下时,分,秒。
BCD/七段译码器根据六选一选择器的输出,将其译为七段码,然后显示在数码管。
整点报时/闹铃:
整点报时功能,从59’50”开始,每隔两秒报是时一次,59’52”,59’54”,59’56”59’58”四声报时蜂鸣器驱动脉冲为500HZ,00’00”实话,驱动脉冲1KHZ。
闹铃:
LOAD为‘1’时,允许闹铃,允许闹铃时间预置,当计数时,分与预置时,分相同时,开始闹铃,时间为10秒。
3)时间计数单元
时间计数单元有时计数,分计数和秒计数等几个部分。
时计数单元一般为24进制计数器计数器,其输出为两位8421BCD码形式;分计数和秒计数单元为10进制计数器,其输出也为8421BCD码。
一般采用10进制计数器如74HC290,74HC390等来实现时间计数单元的计数功能。
欲实现24进制和10进制计数还需进行计数模值转换。
4)分秒计数器:
将两片CT74LS161接成10进制计数器。
5)时计数器:
先将两片CT74LS161接成24进制计数器,分(秒)个位片为10进制,十位片为10进制。
再用24(既00011000)反馈置0,则符合24进制计数。
6)译码驱动及显示单元
计数器实现了对时间的累计以8421BCD码形式输出,为了将计数器输出的8421BCD码显示出来,需用显示译码电路将计数器的输出数码转换为数码显示器件所需要的输出逻辑和一定的电流,一般这种译码器通常称为7段译码显示驱动器。
常用的7段译码显示驱动器有CD4511。
7)校时电源电路
当重新接通电源或走时出现误差时都需要对时间进行校正。
通常,校正时间的方法是:
首先截断正常的计数通路,然后再进行人工出触发计数或将频率较高的方波信号加到需要校正的计数单元的输入端,校正好后,再转入正常计时状态即可。
根据要求,数字钟应具有分校正和时校正功能,因此,应截断分个位和时个位的直接计数通路,并采用正常计时信号与校正信号可以随时切换的电路接入其中。
校“时”电路的基本原理是将“秒”信号直接引进“时”计数器,同时将“分”计数器置零,让“时”计数器快速计数,在“十”的指示达到需要的数字后,切断“秒”信号。
校“分”电路也按此方法进行,只是校“秒”电路稍有不同,输入“秒”
计数器的校正信号是周期为0。
5s的脉冲信号,使“秒”信号比正常快一倍,以便将秒校准。
8)整点报时电路
一般时钟都应具备整点报时电路功能,即在时间出现整点前数秒内,数字钟会自动报时,以示提醒。
其作用方式是发出连续的或有节奏的音频声波。
根据此电路要求,每当“分”和“秒”计数器到59分50秒时,便自动驱动音响电路,在10s内自动发出5次鸣叫声。
要求每隔1s叫一次,每次叫声持续1s,并且前四声音调低最后一响音调高,此时计数器正好为整点(“0”分“0”秒)。
9)时间校对电路
校时电路的实现原理
当电子钟接通电源或者计时发现误差时,均需要校正时间。
校时电路分别实现对时、分的校准,由于4个机械开关具有震颤现象,因此用RS触发器作为去抖动电路。
采用RS基本触发器及单刀双掷开关,闸刀常闭于2点,每搬动一次产生一个计数脉冲,实现校时功能
校时电路
3.3电路原理
(一)自动循环
电路由+5V的标准电源供电,在电源及外围RC电路作用下555电路输出标准连续的矩形波,U2B4518计数器得到一个脉冲,则Q3、Q2、Q1、Q0输出为0001的十进制信号,输出信号进入U64511译码器,译码器输出管脚G、F、E、D、C、B、A输出分别为0000110的电平信号,此时,数码管显示阿拉伯数字为“1”。
当U2B4518计数器的Q3、Q2、Q1、Q0输出为1001的十进制信号同时,U2B4518的两个输出端Q3、Q0的两个高电平输出信号进入U7B4081与门电路时,U7B4081与门电路输出一个高电平,(此时,数码管显示为“9”这样,秒钟就实现了九进制的功能。
)向U2A4518计数器提供触发脉冲。
即:
像U2B4518计数器得到555电路的触发信号一样进行十进制跳进。
当第二路U2A4518计数器Q2、Q3(输出十进制0110数码管显示“6”)向U7A4081与门同时提供两个高电平频时,U7AB4081与门输出一个高电平,分别输入给U2A4518和U1B2A4518的7号和9号线,输入信号使U2A4518得到一个脉冲信号复位(即清零),使信号经过单向二极管(防止电路在进行手动调整S2时,电路的信号使U2A4518计数器复位)进入分显示电路区让U1B4518计数器得到信号继续进行十进制跳进。
即秒电路实现六十进制的功能
第三路与第一路原理相同,第四路与第二路原理也基本相同。
电路只显示分与秒,因此,U6B4081输出高电频时无须向后一路进位,只须将本位清零。
当时间为60分时分钟的个位显示为“0”,为了保证分钟的准确度,便将U6A4081与门的输出端接到U1B4518计数器的清零端。
这就是电路的自动循环原理。
(二)手动调整
按钮的一端接高电平一端接信号输入端,当调整按钮按一下时,相当于计数器得到一个计数脉冲,使4518计数器的信号输入端得到信号进行进位,前面以提到在U1B4518计数器的输入端与与门之间的一个二极管使得当按钮提供高电位时不会将U2B4518计数器清零(二极管的反向保护作用)。
(三)555局部电路的原理分析
1)NE555触发电路分析
晶体振荡器的作用是产生时间标准信号。
数字钟的精度,主要取决于时间标准信号的频率及其稳定度。
因此,一般采用石英晶体震荡器经过分频得到这一信号。
也可采用由门电路或555定时器构成的多携振荡器作为时间标准信号源。
在这里我们才用的是555电路定时器构成的多谐振荡器。
2)振荡电路
为了制作简便,在精度要求不高的情况下,由集成电路定时器555与RC组成的多谐振荡器。
这里设振荡频率fo=103Hz。
多谐振荡器的振荡频率可以由下式估算:
f0=1/T≈1/0。
69(R1+2R2)C
若选R1=R2=10kΩ,要在输出端得到频率为1Hz的时钟信号,则C应选47μF。
电路采用微调电位器,调节矩形触发信号的输出频率,即可调整秒信号使电路更加准确,将误差调整到最小。
3)555电路原理图如下:
555电路原理图
555定时器含有两个电压比较器C1和C2、一个基本RS触发器、一个放电晶体管T以及由三个5kW的电阻组成的分压器。
各外引线的功能:
1.管脚为接“地”端。
2.管脚为低电平触发端。
当2端的输入电压高于时,C2的输出为1;当输入电压低于时,C2的输出为0,使基本RS触发器置1。
3.管脚为输出端,输出电流可达200mA,由此可直接驱动继电器、发光二极管、扬声器、指示灯等。
输出高电压约低于电源电压UCC1~3V。
4.管脚为复位端,由此输入负脉冲(或使其电位低于0。
7V)可使触发器直接复位(置0)。
5.管脚是电压控制端,在此端可外加一电压以改变比较器的参考电压。
不用时,经0。
01mF的电容接“地”,以防止干扰的引入。
6.管脚为高电平触发端。
当6端的输入电压低于时,C1的输出为1;当输入电压高于时,C1的输出为0,使基本RS触发器置0。
7.管脚为放电端,当触发器的端为1时,放电晶体管T导通,外接电容元件通过T放电。
8.管脚为电源端,外加电压范围为5~18V。
由555定时器组成的单稳态触发器:
电路中R和C是外接元件,触发脉冲由2端输入,工作原理如下:
在t1以前,触发脉冲尚未输入,ui为1,其值大于,比较器C2的输出为1。
若触发器的原状态,则晶体管T饱和导通,uC»0。
3V,故C1的输出也为1,
触发器的状态保持不变。
若,则T截止,+UCC通过R对C充电,当uC上升略高于时,比较器C1的输出为0,使触发。
可见在稳定状态时,Q=0,即输出电压uo=0。
在t1时刻,输入触发负脉冲,其幅度低于,故C2的输出为0,将触发器置1,uo由0变为1,电路进入暂稳态。
这时因,放电管T截止,电源又对C充电,当uC上升略高于时(在t3时刻),C1的输出为0,从而使触发器自动翻转到Q=0的稳定状态。
此后电容C迅速放电。
输出uo为矩形脉冲,其宽度(暂稳态持续时间)为:
tP=RCln3=1.1RC
单稳态触发器常用于脉冲整形和定时控制等方面。
由555定时器组成的多谐振荡器:
多谐振荡器也称无稳态触发器,它没有稳定状态,同时毋须外加触发脉冲,就能输出一定频率的矩形脉冲(自激振荡)。
图3是由555定时器组成的多谐振荡器。
R1、R2和C是外接元件。
接通电源UCC后,它经R1和R2对电容C充电,当uC上升略高时,比较器C1的输出为0,将触发。
这时放电管T导通,电容C通过R2和T放电,uC下降。
当uC下降略低时,比较器C2的输出为0,将触发器置1,uo又由0变为1。
由于uC下降,放电管T截止,UCC又经R1和R2对电容C充电。
如此重复上述过程,uo为连续的矩形波。
第一个暂稳态的脉冲宽度tP1,即电容C充电的时
tP1»(R1+R2)Cln2=0。
7(R1+R2)C
第二个暂稳态的脉冲宽度tP2,即电容C放电的时间:
tP2»R2Cln2=0。
7R2C
振荡周期:
T=tP1+tP2=0。
7(R1+2R2)C
(四)数字钟整点报时电路的原理分析
电路如下图所示,其中包括控制门电路和音响电路。
1)控制门电路部分
当“分”和“秒”计数器到59分50秒时,从59分50秒到59分59秒之间,只有“秒”个位在计数,所以“秒”的个位、“分‘的十位中输出的1都保持不变,则将它们相“与”作为控制信号在控制门G1和G3。
在每小时的最后10s内C=1,门G1输入端加有频率为1KHz的信号B,同时又受QD秒个位QA秒个位的控制,即
只有在59秒时,B信号才可以通过门G21;门G23的
输入端加有频率为500HZ的信号A,同时又受
;QA秒个位控制,其输出
即51。
535557秒时,A信号可通过G23,再经过与非门G24,则D=CQD秒个位QA秒个位B+
QA秒个位A,从而实现前4响为500HZ,后一响为1KHZ,最后一响完毕正好为整点。
2)音响电路
该电路采用射极跟随器,推动喇叭发声,三极管基极串联1KΩ限流电阻,是为了防止电流过大,烧坏喇叭。
三极管选用3DG12,报时所需的1KHz和500Hz音频分别取自于前面的多级分频电路部分。
用六块74LS48组成的一个基本数字钟电路(如图所示)
数字钟逻辑电路图
在数字钟电路中,由于秒个位、分个位、时个位是逢十进位,故它们的进位可直接由低位JW向高位输出。
因JW输出的是下降沿脉冲信号,故必须与高一位的下降沿计数输入端相连。
而秒十位和分十位是逢六进位,故它们的进位要用CL102的BCD码输出,并使用具有两个输入端的与门来控制进位。
例如:
秒十位的BCD代码为0110时,与门G1输出高电平,这个高电平有两个作用,一是作为进位信号,使分个位加1,另一个作用是使秒十位清零。
两个作用合起来,实现每计时到60秒就进位1分。
同样,分十位也用了一个与门G2,它的作用和与门G1一样。
时十位要实现二十四进位,即当十位为2且个位为4的时候,发出信号,使六位显示器全部清零。
为此,与门G3的两个输入端,一个来自时十位代码输出B(0010),另一个来自时个位代码C(0100),即只有计时到二十四小时的那一时刻,与门G3才开门输出高电平。
这个上脉冲经RC积分电路同与门G4构成延迟电路后,连接到十位与个位的复位端R,从而实现二十四小时的清零目的。
为了校对时间,分别用了“校时”、“校分”和“校秒”三个按键,按下“校时”或者“校分”键,秒脉冲将直接进入时个位或者分个位的显示单元,使时或分以每秒一个字的速度显示,当变到应显示的时或分的数字时,将该按键松开,时或分就被校对好。
按下“校秒”键时,秒个位计数器的复位端R=1,使秒个位变为零,等正确的时间正好到达零秒时,松开按键,使秒个位计数器开始计数,一般先校对秒,然后再逐次校对分和时。
3.4计数、译码、显示电路分析
(一)计数器
有了时间标准"秒'信号后,就可以根据60秒为一分,60分为一小时,24小时(12小时)为一天的计数周期,分别组成两个十进制(秒,分),将这些计数器适当连接,就可以构成秒,分的计数,实现记时功能。
数字钟的“秒”,“分”信号产生电路都是由十进制计数器构成。
24进制计数器
小时计数电路是由IC5和IC6组成的二十四进制计数电路,当“时”个位IC5计数输入端CP5来到第10个触发信号时,IC5计数器自动清零,进位端QD5向IC6“时”十位计数器输出进位信号,当第24个“时”(来自“分”计数器输出的进位信号)脉冲到达时,IC5计数器的状态为“0100”,IC6计数器的状态为“0010”,此时“时”个位计数器的QC5和“时”十位计数器的QB6输出为“1”。
把它们分别送到IC5和IC6计数器的清零端R0
(1)和R0
(2),通过7490内部的R0
(1)和R0
(2)与非后清零,从而完成二十四进制计数。
(二)译码器和数码显示电路
1、显示器原理(数码管)
数码管是数码显示器的俗称。
常用的数码显示器有半导体数码管,荧光数码管,辉光数码管和液晶显示器等。
本设计所选用的是半导体数码管,是用发光二极管(简称LED)组成的字形来显示数字六个条形发光二极管排列成六段组合字形,便构成了半导体数码管。
半导体数码管有共阳极和共阴极两种类型。
共阳极数码管的六个发光二极管的阳极接在一
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