孫玲姣+喻偉闖+楊慶
【摘 要】對(duì)物理或電子等相關(guān)專業(yè)而言,《電子線路實(shí)驗(yàn)》是一門重要的和實(shí)踐性較強(qiáng)的專業(yè)基礎(chǔ)課程。電子線路實(shí)驗(yàn)第一堂課內(nèi)容往往是非常重要的,因?yàn)樗P(guān)系到能否讓學(xué)生知道如何做實(shí)驗(yàn)和做好實(shí)驗(yàn)。文中詳細(xì)介紹了在第一堂課內(nèi)容中必須先讓學(xué)生清楚的四點(diǎn)內(nèi)容,并在課堂最后通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目來(lái)熟悉前面介紹的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié),讓學(xué)生在以后能更好地做好該課程后面的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,學(xué)好這門課程,為后續(xù)的課程打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
【關(guān)鍵詞】電子線路實(shí)驗(yàn);專業(yè)基礎(chǔ)課程;第一堂課;實(shí)驗(yàn)內(nèi)容
【Abstract】Electronic circuit experiment is an important and practical professional basic course in physics or electronics related.Electronic circuit experiment first class content is often very important,because it concerns the ability of the students know how to do the experiment and do the experiment well.In this paper,four inportant point must first let the students know in the first class is detailedly explained firstly,then in classroom final through a simple experimental project to familiarize students with the previous experimental practice,Through these training,students will be able to better complete the follow-up of the experimental project for the rest of this course,and lay a solid foundation for learning of the following courses.
【Key words】Electric circuits experiments;Profession basis course;First class;Experiment contents
0 引言
《電子線路實(shí)驗(yàn)》是根據(jù)我國(guó)高?!赌M電子技術(shù)》和《數(shù)字電子技術(shù)》教學(xué)大綱開設(shè)的一門獨(dú)立實(shí)驗(yàn)課程,要求學(xué)生在學(xué)習(xí)《電子技術(shù)基礎(chǔ)》(數(shù)字部分)和《電子技術(shù)基礎(chǔ)》(模擬部分)理論課程的基礎(chǔ)上,通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)電子技術(shù)理論的進(jìn)一步理解及掌握?!峨娮泳€路實(shí)驗(yàn)》課程在鞏固學(xué)生電子技術(shù)理論知識(shí)的同時(shí),也要求對(duì)學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力得到一定的鍛煉,并讓部分學(xué)生通過(guò)該門課程的學(xué)習(xí)后具有一定設(shè)計(jì)制作功能電路的能力[1]。因此《電子線路實(shí)驗(yàn)》對(duì)物理或電子等相關(guān)專業(yè)而言是一門重要的和實(shí)踐性較強(qiáng)的專業(yè)基礎(chǔ)課程[2-4]。
在學(xué)生上該門實(shí)驗(yàn)課的第一堂課中,除了讓學(xué)生清楚的認(rèn)識(shí)到這門課程的學(xué)習(xí)任務(wù)、學(xué)習(xí)目標(biāo)和重要性外,更重要的是讓學(xué)生知道如何做實(shí)驗(yàn)和想認(rèn)真的做好實(shí)驗(yàn),而不僅僅是為了完成實(shí)驗(yàn)過(guò)程,甚至抄襲別人的數(shù)據(jù),導(dǎo)致在做完所有安排的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目后,大部分學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容幾乎毫無(wú)印象。因此,為了做到這一點(diǎn),在第一堂的實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中讓學(xué)生清楚這樣幾個(gè)方面是非常重要的,它們分別是:1)明確考核方式,重點(diǎn)放在學(xué)會(huì),而不僅僅是完成;2)掌握電路接線;3)掌握基本儀器儀表的使用和養(yǎng)成良好的實(shí)驗(yàn)操作習(xí)慣;4)準(zhǔn)確定位實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師和學(xué)生自己在實(shí)驗(yàn)中各自的角色。課堂最后通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目來(lái)熟悉前面介紹的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié),讓學(xué)生能更好地做好該課程后面的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。該實(shí)驗(yàn)課程采用的硬件實(shí)驗(yàn)設(shè)備主要有DS1052E雙通道數(shù)字示波器、DG1022函數(shù)信號(hào)發(fā)生器、UT51數(shù)字萬(wàn)用表和DJ-SD6電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)箱,后面文中所說(shuō)實(shí)驗(yàn)箱均指這種設(shè)備。
1 明確考核方式
實(shí)驗(yàn)課程的考核方式具有多樣性[5],而每一門課程都有自身的特點(diǎn),學(xué)?;蛉握n教師會(huì)根據(jù)其自身特點(diǎn)采取相應(yīng)的考核方式,比如:試卷考試、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)操作、上機(jī)操作、作品制作、大作業(yè)、競(jìng)賽形式等方式。結(jié)合多年該實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)和該課程的基礎(chǔ)性及操作實(shí)踐性,我們采取了實(shí)驗(yàn)操作與實(shí)驗(yàn)報(bào)告處理綜合考慮的考核方式。在第一堂課上,讓學(xué)生清楚實(shí)驗(yàn)操作和實(shí)驗(yàn)報(bào)告單處理是評(píng)分的依據(jù)。
實(shí)驗(yàn)操作的評(píng)分主要根據(jù)學(xué)生是否認(rèn)真完成所做實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目、操作方法是否正確來(lái)評(píng)定,通常這一部分評(píng)分對(duì)按要求完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的學(xué)生都是沒(méi)有差別的。我們?cè)谶@里主要強(qiáng)調(diào)的是:雖然每一個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目都分配有固定的學(xué)時(shí),然而每個(gè)同學(xué)在做實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中的進(jìn)程不一樣,如果有的同學(xué)在規(guī)定的學(xué)時(shí)內(nèi)沒(méi)有完成相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,請(qǐng)學(xué)生無(wú)需擔(dān)憂,可以在下次實(shí)驗(yàn)的時(shí)接著做,并且不影響操作評(píng)分。這樣就可以讓他們可以靜下心來(lái)做實(shí)驗(yàn),而避免了有的學(xué)生為了趕時(shí)間而手忙腳亂或抄襲別人實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的現(xiàn)象。在后面的實(shí)驗(yàn)課堂中,我們經(jīng)??吹降氖沁@樣的景象:學(xué)生都在忙而有序的做著自己的實(shí)驗(yàn),如有疑問(wèn)會(huì)積極和實(shí)驗(yàn)教師或同學(xué)討論。
實(shí)驗(yàn)報(bào)告單處理的評(píng)分主要依據(jù)學(xué)生報(bào)告單上實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)處理和分析、報(bào)告單整潔度等來(lái)評(píng)定。每次實(shí)驗(yàn)課后,會(huì)給學(xué)生足夠的課外時(shí)間讓學(xué)生來(lái)處理實(shí)驗(yàn)報(bào)告單。在這里我們需強(qiáng)調(diào):前面的實(shí)驗(yàn)操作的評(píng)分基本上沒(méi)差別,所以實(shí)驗(yàn)報(bào)告單處理的評(píng)分是成績(jī)拉分的部分。這樣就可有效的督促學(xué)生回顧課本或查閱相關(guān)資料,將實(shí)驗(yàn)和上過(guò)的理論內(nèi)容結(jié)合起來(lái),更好的理解和掌握所學(xué)內(nèi)容。通過(guò)后面所交的實(shí)驗(yàn)報(bào)告單,可以明顯的感覺(jué)出整體的實(shí)驗(yàn)報(bào)告單比以前的規(guī)范、整潔、合理。
2 掌握電路接線
《電子線路實(shí)驗(yàn)》這門課程一般是在大二學(xué)期開設(shè)的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課,也許對(duì)有的學(xué)生來(lái)說(shuō),這是第一門需要?jiǎng)邮诌B接實(shí)驗(yàn)電路的課程,因此,在實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中,首先需要學(xué)生會(huì)看電路圖,并會(huì)根據(jù)電路圖用元器件和導(dǎo)線連接電路。為了保證不同基礎(chǔ)的每一個(gè)學(xué)生在以后的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中都能正確的連接,在第一堂課上就要讓學(xué)生學(xué)會(huì)看圖和連接電路。以實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目——晶體管單級(jí)放大電路為例,首先讓學(xué)生找到該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中的共射極單管放大器實(shí)驗(yàn)電路圖,并根據(jù)電路圖在實(shí)驗(yàn)箱上找到所需的各分立元器件。接著以三極管為中心,讓所有同學(xué)在實(shí)驗(yàn)教師的指導(dǎo)下以相同的步調(diào),按三極管的基極b、發(fā)射極e和集電極c的順序,將導(dǎo)線一根一根的接好,完成電路圖的連接。這種方法和以前通常采用的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師演示一次的方法比較,我們發(fā)現(xiàn)效果差異比較大。后者通常來(lái)說(shuō)演示的速度比較快,大部分學(xué)生跟不上這樣的節(jié)奏,即使速度不快,學(xué)生也很難全部記住,同樣也很容易忽略一些特別強(qiáng)調(diào)要注意的一些小細(xì)節(jié)。前者的方法雖然在第一次課堂上會(huì)花相對(duì)較長(zhǎng)的時(shí)間完成電路連接,但是保證了學(xué)生在以后的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中可以自己完成基本的實(shí)驗(yàn)電路接線,如果實(shí)驗(yàn)中有什么需要注意的事項(xiàng),只需在實(shí)驗(yàn)操作之前統(tǒng)一提醒或演示一下。這樣充分調(diào)動(dòng)了學(xué)生動(dòng)手的積極性,讓課堂上不再有學(xué)生玩手機(jī)、聊天或旁觀,同時(shí)也大大的提高了整體實(shí)驗(yàn)的效率。
3 掌握基本儀器儀表的使用和養(yǎng)成良好的實(shí)驗(yàn)操作習(xí)慣
該實(shí)驗(yàn)課程采用的測(cè)量?jī)x器儀表主要有數(shù)字示波器、函數(shù)信號(hào)發(fā)生器和數(shù)字萬(wàn)用表。在實(shí)驗(yàn)中學(xué)生必須掌握它們的一些基本使用方法。
對(duì)于數(shù)字萬(wàn)用表,讓學(xué)生了解它的基本功能[6-8],主要有:交直流電壓電流的測(cè)量、電阻測(cè)量、二極管和三極管的測(cè)試和通斷測(cè)試,同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)一起操作。在這里主要強(qiáng)調(diào)三點(diǎn):1)在測(cè)量交流電壓和電流時(shí),萬(wàn)用表屏幕直接顯示的是有效值,測(cè)電阻時(shí),需將相應(yīng)部分獨(dú)立出來(lái),且不帶電測(cè)量;2)將功能開關(guān)打在蜂鳴器和二極管檔位,先直接短接兩根表筆,如果蜂鳴器會(huì)發(fā)出蜂鳴聲,則說(shuō)明兩根表筆是通的,接著才可用這一檔進(jìn)行二極管和三極管的測(cè)試和通斷測(cè)試。當(dāng)檢測(cè)導(dǎo)線時(shí)(導(dǎo)線阻值通常在100Ω以下),將導(dǎo)線兩端分別接兩個(gè)表筆,如果蜂鳴器會(huì)發(fā)出蜂鳴聲則說(shuō)明導(dǎo)線是通的,并且萬(wàn)用表屏幕上顯示的數(shù)值為表筆與導(dǎo)線串后的阻值,單位為Ω,當(dāng)沒(méi)有蜂鳴聲這說(shuō)明這根導(dǎo)線是斷開的,同時(shí)屏幕顯示“1”;當(dāng)檢測(cè)二極管時(shí),將紅表筆接二極管陽(yáng)極,黑表筆接陰極,萬(wàn)用表屏幕上顯示六百多,單位為mV,為其正向壓降,調(diào)換兩個(gè)表筆位置,顯示為“1”,則說(shuō)明二極管是好的。如果當(dāng)紅表筆接二極管陽(yáng)極,黑表筆接陰極時(shí),蜂鳴器響或屏幕顯示“1”,都說(shuō)明二極管已壞掉;當(dāng)檢測(cè)三極管時(shí),把三極管當(dāng)成兩個(gè)背靠背的二極管,以NPN型小功率三極管s9013為例,將紅表筆放在基極b,黑表筆放在發(fā)射極e或集電極c,屏幕上都顯示五百多毫伏,則說(shuō)明三極管是好的;3)用同一個(gè)表先交替測(cè)量電壓和電流時(shí),要保證表筆換到對(duì)應(yīng)的插孔,并把功能開關(guān)打到相應(yīng)的檔位,否則容易造成錯(cuò)誤測(cè)量,并把萬(wàn)用表的保險(xiǎn)管燒壞。
對(duì)于函數(shù)信號(hào)發(fā)生器,讓學(xué)生知道如何選擇所需信號(hào)的波形及調(diào)節(jié)其參數(shù)[9],比如:頻率、有效值或峰峰值、對(duì)稱性等。這里要強(qiáng)調(diào)的是:在信號(hào)調(diào)好過(guò)后,先用好的探頭將信號(hào)引入正常工作的示波器,觀察波形和參數(shù)是否和前面所調(diào)信號(hào)基本一致,如果不是所調(diào)信號(hào),需檢測(cè)相應(yīng)輸出通道旁的“output”鍵是否點(diǎn)亮,如果已點(diǎn)亮,說(shuō)明通道壞。
當(dāng)用數(shù)字示波器觀察波形時(shí),讓學(xué)生知道怎樣調(diào)節(jié)才能看到最佳顯示效果的波形,以及讀取相應(yīng)波形的參數(shù)。通常來(lái)說(shuō),將信號(hào)通過(guò)通道接入示波器后,只需按“AUTO”鍵,便立即獲得合適的顯示波形[10-12]。當(dāng)幅值較小或頻率較小時(shí),需手動(dòng)設(shè)置才能看到較好的波形。這里要強(qiáng)調(diào)三點(diǎn):1)因輸入變化或電路參數(shù)改變時(shí),會(huì)導(dǎo)致電路輸出波形在變化時(shí),如果示波器顯示波形不再方便觀察,一般只需按“AUTO”鍵;2)在使用示波器進(jìn)行觀察和測(cè)量前,先把好的探頭的紅色夾子和黑色地線夾子接到函數(shù)信號(hào)發(fā)生器或示波器校正信號(hào)輸出端。按按“AUTO”鍵,幾秒鐘后,看是否能在波形顯示區(qū)看到輸入函數(shù)信號(hào)或示波器校正信號(hào)的波形,如果可以,說(shuō)明相應(yīng)的輸入通道是好的,否則,該通道壞;3)無(wú)源示波器探頭相當(dāng)于兩根線,在使用前可用檢測(cè)導(dǎo)線的方法分別判斷它們的好壞。在使用時(shí),要保證地線夾子可靠的接了地(被測(cè)系統(tǒng)的地,非真正的大地)。在實(shí)驗(yàn)中,用幾根探頭用于輸入和輸出交流信號(hào)時(shí),則需將它們的地線夾子共地。
為了讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)時(shí)有良好的實(shí)驗(yàn)操作習(xí)慣,需在第一堂實(shí)驗(yàn)課上就規(guī)范學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作方法。比如:每次進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)驗(yàn),不是馬上連接電路,而是應(yīng)該先用前文所述方法檢查實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目所需的導(dǎo)線、各分立元件、示波器探頭、儀器通道等的好壞,用萬(wàn)用表檢查電源,檢查完畢后才開始做實(shí)驗(yàn);在實(shí)驗(yàn)中如需換線,則需斷電后再進(jìn)行,換線完畢再打開開關(guān)。
4 準(zhǔn)確定位實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師和學(xué)生自己在實(shí)驗(yàn)中各自的角色
在實(shí)驗(yàn)中,有時(shí)會(huì)有學(xué)生問(wèn)指導(dǎo)老師某一個(gè)數(shù)據(jù)或現(xiàn)象對(duì)不對(duì),通過(guò)這個(gè)現(xiàn)象可以反映出學(xué)生課前預(yù)習(xí)不夠,導(dǎo)致他們的不自信或者說(shuō)對(duì)結(jié)果很茫然。因此,在第一堂課上要讓學(xué)生了解到,課前預(yù)習(xí)的重要性,在課堂上不能依賴指導(dǎo)教師而直接獲得答案。而指導(dǎo)教師在遇到這種情況時(shí),應(yīng)先判斷測(cè)量結(jié)果是否合理,如果合理,則引導(dǎo)學(xué)生自己判斷;如果不合理,先應(yīng)檢查學(xué)生線路連接,指出需糾正的地方,并讓學(xué)生自己判斷糾正后的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。每次實(shí)驗(yàn)后,實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師根據(jù)實(shí)驗(yàn)的具體情況布置相應(yīng)的思考題。這樣讓學(xué)生意識(shí)到他們才是實(shí)驗(yàn)的主角,實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師僅僅是起到指導(dǎo)作用。
5 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目
實(shí)驗(yàn)要求完成:晶體管單級(jí)放大電路中放大器靜態(tài)工作點(diǎn)的測(cè)量和調(diào)試,以及放大器中頻電壓增益的測(cè)試[13]。
5.1 放大器靜態(tài)工作點(diǎn)的測(cè)量和調(diào)試
圖1為電阻分壓式單管放大器靜態(tài)工作點(diǎn)測(cè)量實(shí)驗(yàn)電路,電路中NPN型三極管Q1為s9013,電流放大系數(shù)β=200,其他各元件參數(shù)見圖1。靜態(tài)工作點(diǎn)測(cè)量條件:輸入端Us接地,即Ui=0。按圖1接好電路,調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器RP,用數(shù)字萬(wàn)用表的直流電流檔測(cè)量集電極電流IC,使IC=1.0mA。再用萬(wàn)數(shù)字用表的直流電壓檔測(cè)得三極管Q1各極電壓分別為Ub=2.49V、Ue=1.89V和Uc=6.93V,計(jì)算出Uce=5.04V。圖1中各電表示數(shù)為用protues仿真時(shí)各電量的數(shù)值,他們分別為:Ic=1.0mA,Ub=2.58V、Ue=1.92V和Uc=6.88V,計(jì)算出Uce=4.96V。當(dāng)然,如果為了避免斷開集電極,還可以通過(guò)先測(cè)量電壓Ue或Uc再算出的方法,在這里我們不再詳述。
放大器靜態(tài)工作點(diǎn)的調(diào)試是指對(duì)三極管集電極電流Ic(或Uce)的調(diào)整和測(cè)試。靜態(tài)工作點(diǎn)是否合適,對(duì)放大器的性能和測(cè)試波形都有很大影響:若工作點(diǎn)偏高,信號(hào)容易產(chǎn)生飽和失真;若工作點(diǎn)偏低,信號(hào)容易產(chǎn)生截止失真。為了得到符合要求而不失真的放大信號(hào),所以在選定工作點(diǎn)以后必須進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)試,這需要協(xié)調(diào)考慮兩方面的調(diào)試:1)改變電路參數(shù)Vcc、RC、RB1、RB2可改變靜態(tài)工作點(diǎn)的高低,但通常采用調(diào)節(jié)電阻R B2的方法來(lái)實(shí)現(xiàn);2)前面所說(shuō)的工作點(diǎn)偏高或偏低不是絕對(duì)的,應(yīng)該是相對(duì)于輸入信號(hào)的幅度而言的,若輸入信號(hào)幅度很小,即使工作點(diǎn)較高或較低也不一定出現(xiàn)失真。所以確切地說(shuō),波形失真的產(chǎn)生是輸入信號(hào)幅度與靜態(tài)工作點(diǎn)設(shè)置不當(dāng)導(dǎo)致的。如果要滿足較大信號(hào)幅度的要求,靜態(tài)工作點(diǎn)應(yīng)該盡量靠近交流負(fù)載線的中點(diǎn)。
5.2 放大器中頻電壓增益的測(cè)試
測(cè)試放大器中頻電壓增益時(shí)的電路如圖2(a)所示,按圖1調(diào)好單管放大器的靜工作點(diǎn)(IC=1.0mA),將函數(shù)發(fā)生器調(diào)到f=5kHz,US為相應(yīng)的值接到放大器,使Ui=8mV,通過(guò)示波器觀察到輸入信號(hào)Ui和輸出信號(hào)UO為兩個(gè)正弦波,它們的相位相差180o,且測(cè)得UO=1.28V,計(jì)算得電壓增益AV=160。圖2(a)中各電表示數(shù)為用protues仿真時(shí)各電量的數(shù)值,他們分別為:Ui=8mV和Uo=1.36V,根據(jù)仿真結(jié)果計(jì)算得到AV=170。圖2(b)為Ui和UO的仿真波形,因?yàn)閁i和Uo數(shù)值相差比較大,為了能在同一圖中顯示,Ui和Uo在圖中采用不同的縱軸坐標(biāo),左邊為Ui,單位為:mV,右邊為UO,單位為:V,橫坐標(biāo)為時(shí)間t,單位為ms。
信號(hào)源頻率不變,逐漸增大信號(hào),并調(diào)節(jié)靜態(tài)工作點(diǎn),得到最大不失真輸出信號(hào)UO=1.74 mV,相應(yīng)的輸入信號(hào)Ui=8.8 mV,計(jì)算得電壓增益AV≈198。用protues仿真時(shí)各電量的數(shù)值分別為:Ui=8.8 mV和UO=1.49 mV,根據(jù)仿真結(jié)果計(jì)算得到AV≈170。仿真波形類似圖2(b)。當(dāng)繼續(xù)增大輸入信號(hào)使Ui=25.2mV,protues仿真得到失真的輸出信號(hào)UO=3.55V,計(jì)算得電壓增益AV≈141,已經(jīng)偏離了AV=170這個(gè)值,仿真波形如圖3所示。
在上述實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,仿真值可作為理論值,通過(guò)實(shí)驗(yàn)比較電壓增益可以發(fā)現(xiàn),估算結(jié)果、實(shí)驗(yàn)結(jié)果和仿真結(jié)果之間有差距,這可能是由于元器件工藝的一致性、測(cè)量?jī)x表的精準(zhǔn)度、溫度濕度變化等因素引起的誤差。實(shí)際中這些誤差只要控制在一定范圍就可以不考慮了。
6 結(jié)論
在實(shí)驗(yàn)課的第一堂課中,不但應(yīng)該讓學(xué)生清楚的認(rèn)識(shí)到這門課程的學(xué)習(xí)任務(wù)、學(xué)習(xí)目標(biāo)和重要性,更應(yīng)該讓他們知道如何做實(shí)驗(yàn),并掌握基本儀器儀表的使用,這樣才能讓學(xué)生做好后面的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,學(xué)好這門課程,為后續(xù)的課程打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
【參考文獻(xiàn)】
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