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文檔簡介
1、<p> 膅蒞薁螈肁莄蚃蟻羇莃莃袆袂羀蒅蠆螈罿薈裊肇羈芇蚈羃肇荿袃衿肇蒂蚆螅肆蚄葿膄肅莄螄肀肄蒆薇羆肅薈螂袂肂羋薅螈肁莀螁肆膁蒃薄羂膀薅蝿袈腿蒞薂襖膈蕆袇螀膇蕿蝕聿膆艿袆羅膅莁蚈袁芅蒄襖螇芄薆蚇肅芃芅蒀羈節(jié)蒈蚅羇芁薀薈袃芀芀螃蝿艿莂薆肈艿蒄螂羄莈薇薄袀莇芆螀螆莆荿薃膅蒞薁螈肁莄蚃蟻羇莃莃袆袂羀蒅蠆螈罿薈裊肇羈芇蚈羃肇荿袃衿肇蒂蚆螅肆蚄葿膄肅莄螄肀肄蒆薇羆肅薈螂袂肂羋薅螈肁莀螁肆膁蒃薄羂膀薅蝿袈腿蒞薂襖膈蕆袇螀膇蕿蝕聿膆艿袆羅
2、膅莁蚈袁芅蒄襖螇芄薆蚇肅芃芅蒀羈節(jié)蒈蚅羇芁薀薈袃芀芀螃蝿艿莂薆肈艿蒄螂羄莈薇薄袀莇芆螀螆莆荿薃膅蒞薁螈肁莄蚃蟻羇莃莃袆袂羀蒅蠆螈罿薈裊肇羈芇蚈羃肇荿袃衿肇蒂蚆螅肆蚄葿膄肅莄螄肀肄蒆薇羆肅薈螂袂肂羋薅螈肁莀螁肆膁蒃薄羂膀薅蝿袈腿蒞薂襖膈蕆袇螀膇蕿蝕聿膆艿袆羅膅莁蚈袁芅蒄襖螇芄薆蚇肅芃芅蒀羈節(jié)蒈蚅羇芁薀薈袃芀芀螃蝿艿莂薆肈艿蒄螂羄莈薇薄袀莇芆螀螆莆荿薃膅蒞薁螈肁莄蚃蟻羇莃莃袆袂羀蒅蠆螈罿薈裊肇羈芇蚈羃肇荿袃衿肇蒂蚆螅肆蚄葿膄肅莄螄肀肄蒆薇羆
3、肅薈螂袂肂羋薅螈肁莀螁肆膁蒃薄羂膀薅蝿袈腿蒞薂襖膈蕆袇螀膇蕿蝕聿膆艿袆羅膅莁蚈袁芅蒄襖螇芄薆蚇肅芃芅蒀羈節(jié)蒈蚅羇芁薀薈袃芀芀螃蝿艿莂薆肈艿蒄螂</p><p><b> 信號與系統(tǒng)</b></p><p><b> 課程設計報告</b></p><p> 設計題目:濾波器的設計與實現(xiàn)</p><p
4、> 2009年8月20日</p><p><b> 目錄</b></p><p> 前言…………………………………… …………...2</p><p> 一、設計要求……………………………………3</p><p> 二、設計原理……………………………………3</p><p><
5、;b> 三、設計內(nèi)容</b></p><p> 低通濾波器的設計及仿真</p><p> 設計原理……………………… ………..4</p><p> 設計內(nèi)容…………………………………7</p><p> 設計要求…………………………………7</p><p> 設計步驟…………………………
6、………8</p><p> 有源高通濾波器的設計與仿真</p><p> 設計原理……………………………..11</p><p> 設計內(nèi)容……………………………..12</p><p> 設計要求……………………………..12</p><p> 設計步驟……………………………..12</p>
7、<p> ⑶ 有源帶通濾波器的設計與仿真</p><p> 1.設計原理.........................15</p><p> 2.設計內(nèi)容.........................17</p><p> 3.設計要求.........................17</p><p> 4.設
8、計步驟.........................17</p><p> 四、設計總結(jié)……………………………………21</p><p> 五、參考文獻…………………………………..22</p><p><b> 前言</b></p><p> 濾波器(filter)是一種用來消除干擾雜訊的器件,將輸入或輸出
9、經(jīng)過過濾而得到純凈的交流電。對特定頻率的頻點或該頻點以外的頻率進行有效濾除的電路,就是濾波器。利用這個特性可以將通過濾波器的一個方波群或復合噪波,而得到一個特定頻率的正弦波。</p><p> 近年來,濾波器組技術在語音編碼、圖像變換、通信信號處理、雷達等方面得到了廣泛應用。雖然濾波器組技術在不同的應用場合有著不同的結(jié)構(gòu),但其基本原理都是通過分析濾波器將輸入信號從頻域分解為子帶信號。經(jīng)處理后通過綜合濾波器將子帶
10、信號合成為原信號。濾波器組的研究已經(jīng)受到了人們的廣泛重視。</p><p> 濾波器在電力系統(tǒng)中的應用:在電力變配電系統(tǒng)中有采用濾波器裝置,它的作用主要是濾掉諧波,因為供電網(wǎng)落理論上是三相正弦波,每秒50赫茲的頻率,但在實際使用中,它的正弦波都會奇變,而用電設備對電網(wǎng)要求比較高的情況下,就很難使用,如,三相整流設備,晶閘管,可控管等他們都是有一定標準,一般供電網(wǎng)落的諧波分一次,二次......最高可大十幾次,這
11、說明供電質(zhì)量很差,現(xiàn)在大部分是采用阻容吸收裝置,其中,阻:是電感,限流作用,容:是電容,濾波,加起來就是阻容吸收裝置,它還可以起到功率因數(shù)補償作用,但是要進行合理匹配,而且還有多種接法。</p><p> 本次課設重點是了解濾波器的基本原理,弄清其最基本的構(gòu)架。設計并驗證濾波器工作電路的工作狀態(tài),分析電路參數(shù)對濾波器的工作影響。</p><p><b> 設計要求</b
12、></p><p> 自已設計電路系統(tǒng),構(gòu)成低通濾波器、高通濾波器和帶通濾波器。利用Matlab或其他仿真軟件進行仿真。</p><p> 有源濾波器由是有源元件和無源元件(一般是R和C)共同組成的電濾波器。和無源濾波器相比,它的設計和調(diào)整過程較簡便,此外還能提供增益。因此,本課程設計中選擇了二階有源濾波器作為主要研究對象。</p><p> 自行設計電
13、路圖,確定前置放大電路,有源濾波電路,功率放大電路的方案,并使用繪圖軟件(Electronics Worrkbench)畫出設計電路,包括低通、高通和帶通。</p><p> 根據(jù)給定要求和電路原理圖計算和選取單元電路的元件參數(shù)。用Matlab或其他仿真軟件(FilterLab)對濾波器進行仿真,記錄仿真結(jié)果。</p><p><b> 二、設計原理</b><
14、;/p><p> 電容器C具有通高頻阻低頻的性能。</p><p> 由源濾波器由放大電路部分和濾波電路部分組成。</p><p> 仿真軟件可以將濾波器的性能直觀的表現(xiàn)出來。</p><p> 各種濾波器的幅頻特性:</p><p> a、低通幅頻特性 b、高通幅頻特性</p
15、><p> c、帶通幅頻特性 d、帶阻幅頻特性 </p><p><b> 三、設計內(nèi)容</b></p><p> 低通濾波器的設計及仿真</p><p><b> 1.設計原理</b></p><p> ①、二階有源低通濾波電路<
16、/p><p> 二階有源低通濾波電路如圖1.1所示。由圖可見,它是由兩節(jié)RC濾波電路和同相比例放大電路組成,其特點是輸入阻抗高,輸出阻抗低。同相比例放大電路的電壓增益就是低通濾波器的通帶電壓增益,即=1+()/。</p><p><b> ?、?、傳遞函數(shù)</b></p><p> 考慮到集成運放的同相輸入端電壓為</p><
17、p><b> ?。?.1)</b></p><p><b> 而與的關系為</b></p><p> = (1.2)</p><p> 對于節(jié)點A,應用KCL可得</p><p><b> ?。?.3)</b></p><p>
18、; 將式(1.1)~ (1.3)聯(lián)立求解,可得電路的傳遞函數(shù)為</p><p><b> ?。?.4)</b></p><p> 令 (1.5)</p><p><b> ?。?.6)</b></p><p> 則有
19、 (1.7)</p><p> 式(1.7)為二階低通濾波器電路傳遞函數(shù)的典型表達式。其中為特征頻率,也是3dB截止角頻率,而Q則稱為等效品質(zhì)因數(shù)。式(1.4)表明,,才能穩(wěn)定工作。當時,電路將自激振蕩。</p><p><b> ?、邸⒎l響應</b></p><p> 將代人式(1.7),可得幅頻響應和相頻響應表達式,
20、分別為 (1.8)</p><p><b> ?。?.9)</b></p><p> 式(1.8)表明,當時,;當時,。顯然,這是低通濾波電路的特性。由式(1.8)可畫出不同Q值下的幅頻響應,如圖1.1所示。由圖可見,當Q=0.707時,幅頻響應較平坦。當Q=0.707和情況下,;而當時,。這表明二階比一階低通濾波器電路的濾波效果好得多。當進一步增
21、加濾波電路階數(shù),其幅頻響應就更接近理想特性。</p><p> ④、n階巴特沃斯傳遞函數(shù)</p><p> 如果將圖1.1的低通濾波電路選取不同的R、C值可得到不同的頻率響應曲線,這種工程上使用的濾波器稱為巴特沃斯、切比雪夫和貝塞爾濾波器。工程上常用查表式軟件計算來確定參數(shù)。</p><p> n階巴特沃斯低通濾波器的傳遞函數(shù)為</p><
22、p><b> ?。?.10)</b></p><p> 式中n為濾波電路階數(shù),為3dB截止角頻率,</p><p><b> 為帶通電壓增益。</b></p><p><b> 2.設計內(nèi)容</b></p><p> 用集成運放設計一截止頻率的四階低通巴特沃斯濾波
23、器</p><p><b> 3.設計要求</b></p><p><b> ①選擇運放</b></p><p> ?、谶x擇和計算全部電阻、電容參數(shù)</p><p> ?、塾肧PICE仿真畫出幅頻響應波特圖</p><p> ④用SPICE仿真畫出各級和總的歸一化幅頻響
24、應曲線</p><p> ?、萦肕ATLAB進行電路仿真</p><p><b> 4.設計步驟</b></p><p><b> ①電路設計</b></p><p><b> ?、谶x擇運放</b></p><p> 為了減少運放對濾波電路的負載效
25、益,同時便于調(diào)整,現(xiàn)選用LM324。這是一種具有JFET作輸入級的低失調(diào)、高輸入阻抗運放。CF412每片含有兩個運放,其中,,,單位增益帶寬積約為505MHz。各廠家產(chǎn)品參數(shù)略有不同。若選用CF412C,性能更好,輸入阻抗可達,單位增益帶寬積為8MHz,。預計LM324能滿足設計要求。</p><p> ?、圻x擇電容器的容量,計算電阻器的阻值</p><p> 電容C的容量宜在微法數(shù)量級
26、以下,電阻器的阻值一般應在幾百千歐以內(nèi)?,F(xiàn)選擇,則根據(jù)式可算出</p><p> 選擇標準電阻,這與計算值有一點誤差,可能導致截止頻率比額定值稍有升高。</p><p> 四階巴特沃斯濾波器總的增益由兩部分組成,即和,因此總的通帶增益。</p><p> 選擇、、和時,為了減少偏置電流的影響,應盡可能使加到運放同相端對地的直流電阻與加到反相端對地直流電阻基本相
27、等。</p><p> 現(xiàn)選,,則根據(jù)已知增益可算出</p><p><b> ④求傳遞函數(shù)</b></p><p> 根據(jù)電路圖1.4求出傳遞函數(shù),此低通濾波器在復數(shù)域內(nèi)的傳遞函數(shù)如下: </p><p> ?、苡肞SPICE幅頻響應仿真</p><p> 用PSPICE仿真,可
28、得到的幅頻響應波特圖如圖1.5所示。由圖可見,。濾波器的截止頻率,當時,曲線以80dB/十倍頻程衰減。因此,在f=100kHz時,它從直流增益802dB下降了約160dB。</p><p> 圖 1.5 四階巴特沃斯低通濾波器幅頻響應曲線</p><p> ?、萦肕atlab進行仿真畫出波特圖</p><p> 圖 1.6 四階巴特沃斯低通濾波器波特
29、圖</p><p> 由兩個仿真圖對比可得出截止頻率約為100Hz,符合設計要求</p><p> 有源高通濾波器的設計與仿真</p><p><b> 設計原理</b></p><p> 二階有源高通濾波電路</p><p> 二階有源高通濾波電路如圖1.7所示。由圖可見,它是由兩節(jié)R
30、C濾波電路和同相比例放大電路組成,其特點是輸入阻抗低,輸出阻抗高。同相比例放大電路的電壓增益就是高通濾波器的通帶電壓增益,即=1+()/。</p><p><b> 傳遞函數(shù)</b></p><p> 由電路圖1.1與1.7的對比可看出二階高通濾波電路與二階低通濾波電路在電路結(jié)構(gòu)上存在對偶關系,它們的傳遞函數(shù)和幅頻響應也存在對偶關系,由圖1.7可導出其傳遞函數(shù)為
31、 (1.11)</p><p><b> 式中,。</b></p><p><b> 巴特沃斯傳遞函數(shù)</b></p><p> 將式(1.10)中的用代替就可得到巴特沃斯高通濾波器傳遞函數(shù):</p><p><b> ?。?.12)</b&g
32、t;</p><p> 式(1.12)表明,當,;當,;而當時,,是3dB截止角頻率,因此在時,傳遞函數(shù)隨增加以n×20dB/十倍頻程上升。顯然,這是高通濾波電路的特性。</p><p><b> 2.設計內(nèi)容</b></p><p> 用集成運放設計一截止頻率的四階高通巴特沃斯濾波器</p><p>&
33、lt;b> 3.設計要求</b></p><p><b> ?、龠x擇運放</b></p><p> ②選擇和計算全部電阻、電容參數(shù)</p><p> ?、塾肧PICE仿真畫出幅頻響應波特圖</p><p> ④用SPICE仿真畫出各級和總的歸一化幅頻響應曲線</p><p>
34、; ?、萦肕ATLAB進行電路仿真</p><p><b> 4.設計步驟</b></p><p><b> ①電路設計</b></p><p><b> ?、谄骷x擇</b></p><p> 為了減少運放對濾波電路的負載效益,同時便于調(diào)整,現(xiàn)選用LM324。這是一種具
35、有JFET作輸入級的低失調(diào)、高輸入阻抗運放。CF412每片含有兩個運放,其中,,,單位增益帶寬積約為505MHz。各廠家產(chǎn)品參數(shù)略有不同。若選用CF412C,性能更好,輸入阻抗可達,單位增益帶寬積為8MHz,。預計LM324能滿足設計要求。</p><p> 電容C的容量宜在微法數(shù)量級以下,電阻器的阻值一般應在幾百千歐以內(nèi)?,F(xiàn)選擇,則根據(jù)式可算出.</p><p><b>
36、③求傳遞函數(shù)</b></p><p> 根據(jù)電路圖求出傳遞函數(shù),此高通濾波器在復數(shù)域內(nèi)的傳遞函數(shù)如下:</p><p> ?、苡肞SPICE仿真畫出頻率響應波特圖</p><p> 由圖可見,該電路具有高通濾波特性,它的截止頻率。在時,隨f減小,幅頻增益以80dB十頻程下降,此外,由于受運放增益帶寬積為有限值的影響,由圖還可看到,f在1MHz以上時,
37、高通濾波電器的幅頻響應有所下降。</p><p> 圖 1.8 PSPICE仿真畫出的頻率響應波特圖</p><p> ⑤用Matlab仿真畫出頻率響應曲線</p><p> 圖 1.9 Matlab仿真畫出的頻率響應曲線</p><p> 由Pspice和Matlab的仿真曲線可以看出兩者的截止頻率基本一致,都為100Hz左右,
38、設計滿足要求。</p><p> ?、怯性磶V波器的設計與仿真</p><p><b> 1.設計原理</b></p><p> 圖1.10所示為二階有源帶通濾波電路。圖中R、C組成低通網(wǎng)絡,、組成高通網(wǎng)絡,兩者串聯(lián)就組成了帶通濾波電路。為了計算簡便,設,,則由KCL列出方程,可導出帶通濾波電路的傳遞函數(shù)為</p><
39、p> 式中為同相比例放大電路的電壓增益,同樣要求,電路才能穩(wěn)定地工作。令</p><p><b> 則有 </b></p><p> 式(1.17)為二階帶通濾波電路傳遞函數(shù)的典型表達式,其中,</p><p> 既是特征角頻率,也是帶通濾波電路的中心角頻率。</p><p> 令代人式(1.1
40、7),則有</p><p> 式(1.18)表明,當時,圖1.10所示電路具有最大電壓增益,且,這就是帶通濾波電路的通帶電壓增益。根據(jù)式(1.18),不難求出其幅頻響應,如圖1.11所示。由圖可見,Q值越高,通帶越窄。</p><p> 當式(1.18)分母虛部的絕對值為1時,有;因此,利</p><p> 圖 1.11二階有源帶通濾波電路的幅頻響應<
41、/p><p> 用 ,取正根,可求出帶通濾波電路的兩個截止角頻率,從而導出帶通濾波電路的通帶寬度。</p><p><b> 設計內(nèi)容</b></p><p> 設計一帶通濾波電路帶通頻率范圍約為100Hz~10kHz。</p><p><b> 設計要求</b></p><
42、p> 信號通過頻率范圍---在100Hz至10kHz之間</p><p> 濾波電路在1kHz的幅頻響應必須在-dB范圍內(nèi),而在100Hz至10kHz濾波電路的幅頻衰減應當在1kHz時值的dB范圍內(nèi);</p><p> 在10Hz時幅頻衰減應為26dB,而在100kHZ時幅頻衰減應至少為16dB</p><p> ④用SPICE仿真畫出各級和總的歸一化
43、幅頻響應曲線</p><p> ?、萦肕ATLAB進行電路仿真</p><p><b> 設計步驟</b></p><p><b> 電路方案選擇</b></p><p> 這是一個通帶頻率范圍約為100Hz~10kHz的帶通濾波電路,在通帶內(nèi)我們設計為單位增益。根據(jù)題意,在頻率低端f=10H
44、z時,幅頻響應至少衰減26dB,在頻率高端f=100kHz時,幅頻響應要求衰減不小于16dB。因此可選擇一個二階低通濾波電路的截止頻率kHz,一個二階高通濾波電路的截止頻率Hz,有源器件仍采用運放CF412,將這兩個濾波電路串聯(lián)如圖所示,就構(gòu)成了所要求的帶通濾波電路。</p><p> 二階巴特沃斯濾波器的,因此,由兩級串聯(lián)的帶通濾波電路的通帶電壓增益,由于所需要的通帶增益為0Db,因此在低通濾波器輸入部分加了
45、一個由電阻、組成的分壓器。預計圖1.11所示電路能滿足要求。</p><p> 元件參數(shù)的選擇和計算</p><p> 在選用元件時,應當考慮由于元件參數(shù)值誤差對傳遞函數(shù)存在影響。現(xiàn)規(guī)定選擇電阻值的容差為1%,電容值的容差為5%。由于每一電路包含若干電阻器和兩個電容器,預計實際截止頻率可能存在較大的誤差(也許是10%)。為確保在100Hz和10kHz 處的衰減不大于3dB?,F(xiàn)以額定截止
46、頻率90Hz和11kHz進行設計。</p><p> 前已指出,在運放電路中的電阻不宜選擇過大或過小。一般為幾千歐至幾十千歐較合適。因此,選擇低通級電路的電容值為1000pF,高通級電路的電容值為。然后由式(1.5)可計算出精確的電阻值。</p><p> 對于低通級,由于已知C=1000pF和=11kHz,由式(1.5)算得,現(xiàn)選擇標準電阻值。對于高通級可作同樣的計算。由于已知和,可
47、求得。</p><p> 考慮到已知,同時盡量要使運放同相輸入端和反相輸入端對地的直流電阻基本相等,現(xiàn)選擇,,由此可算出,,其容差為1%。</p><p> 設計完成的電路圖如圖1.11所示。信號源通過和進行衰減,它的戴維寧電阻是和的并聯(lián)值,這個電阻應當?shù)扔诘屯夒娮?。因此,?lt;/p><p> 由于整個濾波電路通帶增益是電壓分壓器比值和濾波器部分增益的乘積,
48、且應等于單位增益,故有</p><p> 聯(lián)解式(1.13)和式(1.14),并選擇容差為1%的額定電阻值,得和。</p><p><b> ?、蹅鬟f函數(shù)</b></p><p> 根據(jù)電路圖求出傳遞函數(shù),此帶通濾波器在復數(shù)域內(nèi)的傳遞函數(shù)如下:</p><p><b> ④仿真校驗實驗</b>
49、</p><p> 為確保電路參數(shù)滿足技術要求,用蒙特卡羅方法,隨機地對圖電路元件參數(shù)選擇1組,用PSPICE進行仿真,畫出所設計帶通濾波電路幅頻響應波特圖如圖所示。 </p><p> 圖 1.13 Pspic 仿真的有源帶通濾波器的幅頻響應曲線</p><p> 用Matlab進行仿真畫出幅頻響應曲線圖,如下:</p><p>
50、; 圖 1.14 Matlab仿真的有源帶通濾波器的波特圖</p><p><b> 設計總結(jié)</b></p><p> 經(jīng)過本次設計課程,使我對電子電路有了更深的理解和記憶,把課本上學到的東西用于實際設計。在設計過程中,自己把很多知識都已遺忘,因此遇到不小的困難,尤其是在電路圖設計和畫仿真電路及Pspice仿真實驗。在同學幫助和自己不斷回顧以前的知識后,
51、終于艱難的完成了本次設計。</p><p> 本次設計給我最大的收獲是:學知識重要,但用好所學過的知識更重要。因此,我們學習不僅僅是為了考試,不僅僅是為了拿高分,還要扎扎實實的把知識掌握好,舉一反三靈活運用,這才是學習之道。</p><p> 平時自己學習不夠扎實,淺嘗輒止浮于表面,這是真正搞學問人的大忌。是這次設計課程給了我重新認識自我的機會,意義非凡……</p>&l
52、t;p> 在設計過程中,自己熟悉了Pspice及Matlab軟件的部分應用,對自己是個不小的收獲!</p><p><b> 五、參考文獻</b></p><p> 《電子技術基礎·模擬部分》 高等教育出版社 康華光 1999年</p><p> 《有源濾波器精確設計手冊》 電子工業(yè)出版社 約翰遜 穆爾 19
53、84年 </p><p> 《信號分析和處理-MATLAB語言及應用》 國防科技大學出版社黃文梅 楊勇 2000年 </p><p> 《無源與有源濾波器—理論與應用》 人民郵電出版社 陳開惠 1989</p><p> 《信號與系統(tǒng)基礎——應用WEB和MATLAB》(影印版) 科學出版社 Edward W.Kamen & Bonn
54、ie S. Heck 2002</p><p> 《Rapid practical designs of active filters》 John wiley & sons Davide Johnson & Johnl Hilbur 1975</p><p> 薆蕆螆膇蒂蕆衿羀莈蒆羈膅芄蒅蟻羈膀薄螃膃葿薃裊羆蒞薂肈膂莁薂螇羄芇薁袀芀膃薀羂肅蒁蕿螞羋莇薈螄肁芃
55、蚇袆芇腿蚆羈聿蒈蚆蚈袂蒄蚅袀膈莀蚄羃羀芆蚃螞膆膂螞螅罿蒁蟻袇膄莇螀罿羇芃螀蠆膃腿蝿螁羅薇螈羄芁蒃螇肆肄荿螆螆艿芅莃袈肂膁莂羀芇蒀蒁蝕肀莆蒀螂芆節(jié)葿襖聿羋蒈肇袁薆蕆螆膇蒂蕆衿羀莈蒆羈膅芄蒅蟻羈膀薄螃膃葿薃裊羆蒞薂肈膂莁薂螇羄芇薁袀芀膃薀羂肅蒁蕿螞羋莇薈螄肁芃蚇袆芇腿蚆羈聿蒈蚆蚈袂蒄蚅袀膈莀蚄羃羀芆蚃螞膆膂螞螅罿蒁蟻袇膄莇螀罿羇芃螀蠆膃腿蝿螁羅薇螈羄芁蒃螇肆肄荿螆螆艿芅莃袈肂膁莂羀芇蒀蒁蝕肀莆蒀螂芆節(jié)葿襖聿羋蒈肇袁薆蕆螆膇蒂蕆衿羀莈蒆羈膅芄
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