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  • 每周一个经典电路解析:Jim Williams与其VF转换电路
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    2020-07-30 12:19:38

    追求电子装置的便携性以及电池供电一直是一种应用需求,其可广泛应用于医疗、远程数据采集和电力监控等领域,在某些情况下,出于对空间、功率和可靠性的考虑,系统供电最好1.5V单电池,然而不幸的是,绝大多数线性集成电路都不能在1.5V下工作,而且硅晶体管和二极管的600mv开启电压使电路设计更加困难,此外,1.5V的单电池其多数情况下的电池电压却只有1.3V,所有这些限制是很棘手的,尤其是在需要诸如数据转換器和采样保持这样复杂线性电路的功能时。尽管存在这些问题,采用适当的电路设计依然可以设计出这种线性转化电路,有此功底的基本都是模拟电路大师级的任务。今天给大家介绍Jim Williams和他设计的一个1.5V下工作的VF转换器,分以下四部分:

    • Jim Williams何许人也?
    • VF转换电路是什么?
    • 常规设计
    • Jim Williams的设计

    一、Jim Williams何许人也?
    Jim Williams有着近30年的Linear公司(现被ADI公司收购)工作经历,曾任Linear的应用工程师,后来成为Linear的专职研究员。Jim于2011年6月辞世,他是一位具有传奇色彩的模拟电路设计者、各类疑难问题的完美解决方案提供者、各类文档的优秀编撰者,多年来一直是众多工程师的良师益友。1968年到1979年间,Jim曾在麻省理工进行教学和科研工作,专注于模拟电路设计。他曾在National Secmiconductor的线性集成电路小组工作3年,随后在1982年加入Linear公司。1992年,他曾获EDN杂志的年度创新奖,在2002年被选入Electronic Design名人堂。他曾编撰有大量电路设计相关的文章和应用指南,是若干经典模拟电路设计专著的作者/编辑。 在这里插入图片描述
    二、VF转换电路是什么?
    VF转换电路就是把模拟电压信号线性地转换为周期性频率信号,比如0.8v 转换为8khz频率信号,0.9V转换为9Khz, 0.7v转换为7kHz…,关键是要线性转换关系且频率间隔足够宽,你若把0.7v->7khz, 0.8v->7.02k, 0.9v->7.04k…这是毫无意义的,因为频率间隔太小,接收方很难识别 。
    三、常规设计
    普通人设计时,首先是找电路结构,比如使用比较器加可调比较电平,就可改变振荡频率,1.5v下工作的运放和比较器还真不好找,不过LT1018是为数不多的能在1.5v下工作的比较器,例如下图:
    在这里插入图片描述
    V2可以做输入模拟信号,LT1018构成振荡器,可以用三要素法求出充放电时间,继而求出周期:这个电路最大的缺点就是V2与振动频率的线性度不好,而且振荡频率范围很小,在1.5V工作下没有实用价值,以下是此电路的仿真工作波形:
    在这里插入图片描述
    此电路设计的难点在于1.3v–1.5v的工作电压内要求线性转换且频率间隔足够大!!!

    四、Jim Williams的设计
    在这里插入图片描述
    上图是Jim Williams的设计,以下是仿真电路:
    在这里插入图片描述
    仿真测试数据如下:

    0.9v --> 10.4khz , 0.8v --> 9.27khz , 0.7v --> 8.09khz ,

    0.6v --> 6.8khz , 0.5v --> 5.42khz , 0.4v --> 3.94khz ,

    0.3v --> 2.38khz , 0.1v --> 0.839khz

    仿真数据达不到Jim Williams的实测精度,应该是由于模型精度与数字计算偏差,特别是计算的步距对精度影响较大,步距太小仿真太慢但精度高一些,此处最大步距是0.1us,EDA软件对自激振荡的仿真还是略有不足,其对步距和电路起始条件较敏感,虽然数值计算有些偏差,但也看出线性度还是不错。

    电路工作原理说明:与普通的RC充放电不同,它采用类似开关电容的电荷转移原理和一阶RC极小电流和极小电压变化时可以近似为线性充电原理,利用100p的小电容构成暂稳振荡电路,利用三极管构成的低阻抗开关二极管来平衡电容电荷的转移,利用2n3906/3904做温漂补偿和构成简单稳定的恒压源…,几个简单的三极管和电阻电容、一个比较器就构成了一个超低压工作的VF转换电路。

    VF转换电路说明


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    目录

     

    1.LM331简介

    2.引脚分布与功能

    3.LM331的功能框图

    4.V/F转换的工作原理

    5.LM331的V/F转换电路


    1.LM331简介

    LM331是由美国NS公司(已被TI公司收购)生产的高精度频率-电压转换芯片,可以用于AD转换、频率-电压转换、电压-频率转换和转速测量等。

    当用作频率-电压转换时输出频率与输入电压成正比例关系,线性失真最大为0.01%。动态范围广,最大可达100 dB;温度稳定性高,温度系数为±50ppm/℃;工作范围广(1 Hz-100 kHz);外接电路简单,只需要几个电阻、电容就可以构成V/F或者F/V电路;开集输出,可以根据外接电源匹配所有的逻辑电平(4-40V);功耗低,在5 V时仅为15 mW;可以驱动3个TTL负载。

    2.引脚分布与功能

    LM331的引脚分布如图1所示,各引脚功能如表1所示:

                          

                                        图1 LM331的引脚分布

                                         表1 LM331的引脚功能

    引脚

    功能

    描述

    1

    电流输出

    内部接镜像恒流源,大小与RS有关

    2

    参考电流

    接可变电阻RS,校正RL、Rt和Ct引起的误差

    3

    频率输出

    OC门,需要上拉电阻

    4

    参考地

     

    5

    RC滤波输入

    通过电阻Rt接VCC,通过电容Ct接地

    6

    阈值输入

    内部接比较器反相端

    7

    比较器输入

    电压输入端

    8

    供电电源

    正常工作范围4~40V

    3.LM331的功能框图

    如图2所示,LM331主要由镜像电流源、电流开关、电流泵、带隙基准电压、R-S触发器、输入比较器、定时比较器、输出驱动管、输出保护管和复位晶体管等部分组成。其中,带隙基准电路用来向各个电路提供偏置电流;电流泵使引脚2的电压维持在1.90V;镜像电流源使1脚电流与2脚的相等;输入比较器的同相输入端(引脚7)接待转换的电压;反相端(引脚6)接1脚,并与RC电路相连;输出驱动管采用集电极开路的方式,可以根据外接电源改变输出脉冲的逻辑电平(引脚3),以适配TTL、DTL和CMOS等不同的逻辑电路。

                                                                                                 

                                                                       图2 LM331的功能框图

    4.V/F转换的工作原理

    当引脚7输入正电压Vi时,输入比较器输出高电平,使R-S触发器置位,Q端输出高电平,输出驱动管T1导通,引脚3输出低电平。同时,镜像电流源接通引脚1,对电容CL充电。此时,由于复位晶体管截止,电源VCC通过电阻Rt对电容Ct充电。当Ct两端电压高于2/3VCC,且引脚6电压大于引脚7时,定时比较器输出高电平,使R-S触发器复位,Q端输出低电平,输出驱动管截止,引脚3在上拉电源的作用下输出高电平。同时,复位晶体管导通,电容Ct放电。此时,电流开关打向另一边,电容CL通过电阻RL放电。当电容CL两端电压小于等于输入电压Vi时,输入比较器再次输出高电平,R-S触发器置位,循环往复,构成自激。当引脚5的电压高于2/3VCC时,若引脚7的电压大于引脚6,触发器不会被复位,引脚6的电压会持续升高直至引脚7的电压低于引脚6。这种情况通常用于启动条件或者输入信号过载时,当输入信号过载时,频率输出为0。当输入信号恢复正常后,输出频率将正常工作。

    根据充放电过程中电容CL的电荷平衡可知:

        

    其中,t1为电容CL的充电时间,t1=1.1RLCL,t2为电容CL的放电时间。UL为充电结束时RL两端的电压,与输入比较器同相输入端的大小相等,为Vi。i由镜像电流源提供,大小由能隙基准电路的参考电压1.90V和外接电阻RS决定。

          

    由此可得:

       F_{0}=\frac{1}{t_{1}+t_{2}}=\frac{V_{i}R_{S}}{2.09R_{L}R_{t}C_{t}}

                                                                                                                        

    当RL、Rt、Ct和RS的大小一定时,输出频率Fo与输入电压Vi成正比关系,实现V/F变换。

    5.LM331的V/F转换电路

    LM331用于V/F转换的电路如图3所示,其中CIN为滤波电容,大小一般为0.1μF;为了提高转换精度,RIN的大小一般为100 kΩ。所有的器件都应该尽量选用温度稳定性高的材质,比如金属膜电阻。电容最好选择NPO陶瓷、聚苯乙烯、聚四氟乙烯或者聚丙烯等材质的。2脚可以串联一个固定电阻和一个可调电阻,以用来调整Rt、Ct和RL引起的误差。用47Ω的电阻和1μF的电容串联接地,可以提高线性度。CL大小虽然不会直接影响到转换结果,但是应该尽量选择漏电流小的电容。R1和R2用来调整零点输出。输出频率与输入电压的关系为:

                                        

                  

                       图3 LM331的V/F转换电路

     


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    一、概述

    ​在硬件设计中有时候经常会遇到,主芯片引脚使用的1.8V、3.3V、5V等,连接外部接口芯片使用的3.3V、5V等,由于电平不匹配就必须进行电平转换。两个设备如果供电电压不一样,比如一个是3.3V,另一个是5V,那么在电平不匹配的情况下工作,会造成信号传输出错;如果二者电压相差较大,严重的可能会损坏芯片。

    二、设计

    1、晶体管构成的电平转换方法

    image-20220209140141449

    图1

    工作原理:

    图1左图实现原理:左侧IN为输入,右侧OUT为输出,VDDA与VDDB分别为相互转换的两个不同的电压域。当IN输入0V时,三极管Q1导通,OUT被拉低到接近0V 电平,实现低电平转换;当IN输入高电平VDDA时,三极管Q1截止,此时OUT被电阻R3上拉至VDDB,从而实现高电平转换。此电路属于单向转换电路,转换方向为IN输入,OUT输出。

    图2右图实现原理: 当输入IN为低电平时,三极管Q2关断,三极管Q3导通,输出OUT被拉低,从而实现低电平转换;当输入IN为高电平VDDA时,三极管Q2导通,从而三极管Q3被拉低关断,从而输出OUT被电阻R6拉高到VDDB,从而实现高电平转换。此电路只能实现左侧IN输入,右侧OUT输出,不能反向转换。
    注意事项:图2右图中使用2个三极管的目的是将输入和输出信号同相,如果可以接受反相,使用一个三极管也可以。

    优点:(1)便宜:三极管常见并且容易采购,价格低廉。
    ​ (2)驱动能力强:驱动能力取决于三极管,可以做到数十mA;
    ​ (3)漏电流低:IN 和OUT两者之间的漏电流较小(uA级别),几乎可以忽略不计。

    缺点:(1)速度:两级三极管属于电流驱动型,加上电路和寄生电容,转换后的波形不是十分理想。一般只能用于100K以内的信号转换。
    ​ (2)器件多:同相转换需要2个三极管以及配套的电阻,多路转换时占用空间较多。

    应用:

    image-20220124131950698

    图2

    图2为单向串口电平转换电路。实现原理如下,单片机的RXD接口接收数据,终端设备TXD接口输出数据时,3.3V与5V分别为相互转换的两个不同的电压域。当终端设备TXD接口输出0V时,三极管Q1导通,单片机RXD接口被拉低到接近0V电平,实现低电平转换;当终端设备TXD接口输出高电平5V时,三极管Q1截止,此时单片机RXD接口被电阻R1上拉至3.3V,从而实现高电平转换。同理,单片机TXD接口输出数据,终端设备RXD接口接收数据,实现3.3V到5V的转换。

    2、MOS管构成的双向电平转换方法

    image-20220125152840206
    工作原理:

    • 当IN端输出高电平时,MOS管Q1的Vgs=0,MOS管关闭,OUT端被电阻R3上拉到VDDB;

    • 当IN端输出低电平时,MOS管Q1的Vgs=VDDA,大于导通电压阈值,MOS管导通,OUT端通过MOS管被拉低到低电平;

    • 当IN端输出高阻状态时,MOS管截止,OUT端被电阻R3上拉到VDDB;

    • 当OUT端输出高电平时,MOS管Q1的Vgs不变,MOS管维持关闭状态,IN端被电阻R1上拉到VDDA;

    • 当OUT端输出低电平时,MOS管Q1不导通,MOS管先经过体二极管把IN拉低到低电平,此时Vgs≈VDDA,MOS管导通,进一步拉低IN端的电压;

    • 当OUT端输出高阻状态时,MOS管Q1的Vgs不变,MOS管维持关闭状态,OUT端被电阻R3上拉到VDDB;

    注意事项:

    ​ (1)在正常操作中,VDDB>=VDDA;

    ​ (2)Vgs<=VDDA;Vds<=VDDB;

    ​ (3)IN端的低电平门限大于0.7V左右(视NMOS内的二极管压降而定)。

    优点:(1)适用于低频信号电平转换,价格低廉。

    ​ (2)导通后,压降比三极管小。

    ​ (3)正反向双向导通,相当于机械开关。

    ​ (4)电压型驱动,需要一定的驱动电流。

    应用:

    image-20220124134057536

    图3

    工作原理:

    • 当总线上没有数据发送时:两边都没有主动去拉低总线,因此MOS管也不导通,都因为各自的上拉电阻存在,左边为高电平3.3V,右边为高电平5V。

    • 当单片机需要发送数据1到终端设备时:即单片机TXD为高电平3.3V,MOS管Q2的Vgs=0,MOS管Q2关闭,右边因为上拉电阻的存在,终端设备RXD接口电平保持为5V。即可看作单片机正常将数据1发送到终端设备。

    • 当单片机需要发送数据0到终端设备时:即单片机TXD为低电平0V,MOS管Q2的Vgs=3.3V,MOS管Q2导通,右边电平和左边电平一样,终端设备RXD接口为低电平0V。即可看作单片机正常将数据0发送到终端设备。

    • 当终端设备需要发送数据1到单片机时:即终端设备TXD为高电平5V,单片机RXD因为没有主动拉低电平,所以MOS管Q1不导通,左边保持上拉电平3.3V。即可看作终端设备将数据1正常发送到单片机。

    • 当终端设备需要发送数据0到单片机时:即终端设备TXD为低电平0V时,因为MOS管Q1中二极管的存在,管中二极管导通,MOS管Q1的S极被拉低,Vgs接近3.3V,MOS管Q1导通,使得左边和右边电平接近,为0V。即可看作终端设备正常将数据0发送到单片机。

    注意事项:

    (1)MOS管的接入方法:MOS管的S极要接到低电源那边,不能接反。

    (2)MOS管的选型(MOS管的导通电压需要注意): MOS管导通电压门限(Vth(GS)里面的最大值)需要小于低电源电压。

    image-20220117163923780

    图4

    ​如图4是2N7002的NMOS管的部分参数表,1V<Vgs<2.5V。如果5V和3.3V之间的互转,可以用这个MOS管。但如果是3.3V和1.8V之间的互转,就不能使用这个管子。因为导通门限电压是1~2.5V。因为可能会用到导通电压大于1.8V的器件,这样MOS管可能永远无法导通了。

    (3)低电平指等于或接近0V;高电平指等于或接近电源电压。所以3.3V电压域的器件,其高电平为等于或接近3.3V;5V电压域的器件,其高电平为等于或接近5V。具体要求看芯片的数据手册是怎么说明这个限定范围的,常见的比如说0.3倍的“芯片供电电压”以下为低电平,0.7倍的“芯片供电电压”以上为高电平。也就是说“芯片供电电压”为5V的时候,5 x 0.3 = 1.5V 以下为低电平,5 x 0.7 = 3.5V 以上为高电平。

    3、二极管构成的单向电平转换电路

    image-20220124144945848

    图5

    工作原理:

    如图5为使用二极管钳位的方法进行电平转换。如图5左图是3.3V转5V,当3V3_VIN电平为高时,5V_VOUT=3.3V+Vd(D2)=3.3+0.7≈4V,到达5V的高电平阈值,当3V3_VIN电平输出为低时,5V_VOUT输出电压约=Vd(D2)≈0.7V,在低电平阈值范围内。
    如图5右图是5V转3.3V,当5V_VIN输入是高电平时,3V3_VOUT=3.3V+Vd(D3)≈4V,当5V_VIN输入为低电平时,3V3_VOUT=0V。

    优点:

    (1)漏电流小:由于二极管的漏电流非常小(uA级),可以单向防止电源倒灌,防止3.3V倒灌到5V。

    (2)容易实现:二极管、电阻采购容易,占用面积小。

    缺点:

    (1)电平误差大:主要是二极管的正向压降较大,容易超出芯片的工作电压范围。

    (2) 单向防倒灌:只能单向防止倒灌,不能双向防止倒灌。

    (3) 速度和驱动能力不理想:由于电阻限流,驱动速度和能力均不理想,只能应用在100K以内的频率。

    应用:

    image-20220125164105777

    图6

    工作原理:

    如图6中单片机的RXD为3.3V, 终端设备的TXD为5V。当终端设备输出为5V信号时,二极管D1不通,RXD通过上拉电阻R1被拉到单片机可接受的3.3V电平;当终端设备输出为低时,二极管D1导通,RXD通过二极管被拉至低电平,不过此时的低电平为二极管的正向导通压降,这个值一定要在单片机所能识别的低电平范围之内。

    注意事项:(1)终端设备RXD和单片机TXD直接连接的,所以终端设备能识别的高电平的最小阈值应该小于等于3.3V。

    ​ (2)单片机所能识别的低电平最大阈值应该大于等于二极管的管压降。

    ​ (3)考虑通信速率与低电平电压幅值,二极管选用高速肖特基二极管,并且VF尽量小。

    4、电平转换芯片构成的双向电平转换电路

    image-20220124162252630

    图7

    工作原理:

    如图7使用专用的电平转换芯片进行电平转换,电平转换芯片为不同电压域之间的数据通讯及控制提供了方便。例如芯片TXB0102,作为一款双电源供电的双向电平转换芯片,通过检测外部端口的驱动电流来判别转换方向,因此不需要外部的方向控制管脚来选择控制器件转换的方向。因此在使用它时非常省事,软件上也无需考虑去更改它的转换方向。

    优点:

    (1) 驱动能力强:专用芯片的输出一般都使用了CMOS工艺,输出电流可以达到几十mA。

    (2)漏电流几乎为0:内部是一些放大、比较器,输入阻抗非常高,一般都达到数百K;漏电流基本都是nA级别的。

    (3) 路数较多:专用芯片针对不同的应用,从2路到数十路都有,十分适合对面积要求高的场合。

    (4)速率高:专用芯片由于集成度较高,工艺较高,速率从数百K到数百M的频率都可以做。

    缺点:

    ​ 成本:专用芯片集众多优势于一身,但成本是最大的劣势,一个普通的数百K速率的4通道电平转换芯片,价格至少要1元人民币以上,如果使用三极管做,成本2毛钱都不到。

    5、电阻分压构成的电平转换电路

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    图8

    工作原理:

    如图8所示R2和R3构成分压,图中RXD端口电压=5V*2K/(1K+2K) ≈ \approx 3.3V。单片机的的TXD直接和终端设备的RXD之间没有分压,只是加一个电阻限流。

    注意事项: 终端设备的高电压最小阈值应该小于等于3.3V。

    优势:

    (1)便宜:便宜是最大的优点,2个电阻一分钱不到;

    (2)容易实现:电阻采购容易,占用面积小。

    缺点:

    (1)速度:分压法为了降低功耗,使用K级别以上的电阻,加上电路和器件的分布和寄生电容,速率很难上去,一般只能应用于100K以内的频率。

    (2)驱动能力:由于使用了大阻值的电阻,驱动能力被严格控制,并不适合需要高驱动能力的场合,例如LED灯等。

    (3)漏电:漏电是该方案最大的缺点,由于通过电阻直连,左右两端的电压会流动,从而相互影响。

    6、 电阻限流构成的电平转换电路

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    图9

    工作原理:

    如图9使用一个电阻限流的办法,实现两个不同电平之间的转换。具体的现实原理就是利用芯片的输入电流不超过某个值,例如使用的终端设备输入电流值不能超过20mA,即可认为是安全的,如果是5V转3.3V,需要电阻R1>(5-3.3V)/20mA=85Ω,选择一个1K的电阻,则认为是安全的。因为芯片内部是可以等效一个负载电阻RL,与R1构成分压的关系。

    优点:

    (1)便宜:便宜是最大的优点,只需要一个电阻就可以解决。

    (2)容易实现:电阻采购容易,占用面积小。

    缺点:

    ​ 使用电阻限流法需要十分熟悉芯片内部的构成,而且还要考虑限流后的电压范围;

    三、总结

    上述几种电平转换方法是比较常见的方法,电平转换主要考虑以下几个方面:

    (1)电平匹配:这个是前提,转换后的电平需要在对方可承受的范围之内。

    (2)漏电流:两者之间不但电平要匹配,漏电流还不能互相影响。使用二极管电平转换做RS485输出,可能会出现外部设备的漏电流过来影响内部设备的开机,而且内部的设备启动时输出一堆乱码,影响对方正常工作。

    (3)驱动能力:电平转换以后还要考虑驱动能力,例如I2C电平转换后,挂载多个I2C设备就需要考虑驱动能力的问题。

    (4)速度:理论上,所有的电平转换都是有速度牺牲的,速度最优的方案是专用电平转换芯片,其次是三极管方案,最差的就是电阻分压方案。

    (5)成本:在电路设计中除了考虑功能的要求外,还要兼顾下成本。

    (6)路数:太复杂的转换方案不适合多路数的情况,会占据太多的面积。

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  • ... 电子工程师在电路设计过程中,经常会碰到处理器MCU的I/O电平与模块的I/O电平不相同的问题,为了保证两者的正常通信,需要进行...以下,我们将针对电平转换电路做出详细的分析。 对于多数MCU,其引脚基本上是CMO...

    文章参考:http://www.elecfans.com/bandaoti/eda/20180128624839.html

                      https://blog.csdn.net/weixin_39628271/article/details/111254615

    电子工程师在电路设计过程中,经常会碰到处理器MCU的I/O电平与模块的I/O电平不相同的问题,为了保证两者的正常通信,需要进行电平转换。以下,我们将针对电平转换电路做出详细的分析。

    对于多数MCU,其引脚基本上是CMOS结构,因此输入电压范围是:高电平不低于0.7VCC,低电平不高于0.3VCC。

    但在介绍电平转换电路之前,我们需要先来了解以下几点:

    1、解决电平转换问题,最根本的就是要解决电平的兼容问题,而电平兼容原则有两条:①VOH>VIH ②VOL

     

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    2、对于多电源系统,某些器件不允许输入电平超过电源电压,针对有类似要求的器件,电路上应适当做些保护。

    3、电平转换电路会影响通信速度,所以使用时应当注意通信速率上的要求。

    4、不同转换方式的驱动能力有所不同,在选择上应适当地加以考虑。

    5、当需要转换的路数较多时,转换方式选择不当将会导致元器件较多,或布线不方便。

    下面通过致远电子MiniARM核心板的实例来给大家分享常用的电平转换电路方法。

    1、电阻分压法

    电阻分压法是最简便的一种方法,该电路的工作方式是对逻辑电平高的进行分压。以MiniARM核心板与GPRS模块通信为例。MiniARM核心板IO电平为3.3V,而GPRS模块的IO电平为2.8V,两者之间通信时可以用图2来实现电平匹配。

     对电阻分压的转换电路进行测试,转换后波形如图3所示。

    2、二极管钳位法 

    使用二极管来实现电平匹配,以MiniARM核心板与GPRS模块为例。

    当GPRS模块TXD为高电平时,由于二极管D2的钳位作用,MiniARM的RXD会得到2.8V+VF高电平电压。当MiniARM的TXD为高电平时,由于二极管D1的钳位作用,GPRS模块的RXD会得到2.8V+VF高电平电压。 

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空空如也

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