CN102111156B - 用于实现最小动态范围的逐次渐近型模数转换电路 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种用于实现最小动态范围的逐次渐近型模数转换电路，其包括：具有模拟输入电压Vin的模拟输入信号；输入信号为三个参考电压Vrp、Vrn和Vcm的逐次渐近型积分器，按二进制搜索算法驱动其输出端输出电压Vda；正输入端连接模拟输入信号、负输入端接积分器的输出电压Vda的比较器，其输出端逐步输出N位数字信号。本发明通过对逐次渐近型积分器的输入参考电压的调整有效的实现以最小的动态范围的SARADC电路来满足实际应用的要求，达到了既不浪费SARADC电路的动态范围，又节省了实际电路成本的目的。

Description

用于实现最小动态范围的逐次渐近型模数转换电路

技术领域

本发明涉及一种模数转换电路(Analog-to-Digital Converter，ADC)，尤其是涉及一种通过对逐次渐近型积分器的输入参考电压的调整有效的实现以最小的动态范围的逐次渐近型模数转换电路(SAR ADC)。

背景技术

逐次渐近型模-数转换器(Successive Approximation Register Analog-to-DigitalConverter，SAR ADC)诞生于20世纪40年代的美国贝尔实验室，SAR ADC仍是当今流行的ADC的主要架构之一。

尽管实现SAR ADC的方式千差万别，但其基本结构非常简单。模拟输入电压Vin由采样/保持电路保持。如图1所示，为电容式DAC实现SAR ADC的电路示意图。电容式DAC包括一个由N个按照二进制加权排列的电容C₁、C₂、C₃、...、C_N(N表示将模拟输入信号Vin进行模拟-数字转换后的数字信号位数)和一个电容C₀组成的阵列；假如最低位对应的电容C₁＝C，那么，C₀＝C；C₂＝2C；C₃＝4C；...；C_N＝2^N-1C。电容C₁、C₂、C₃、...、C_N以及电容C₀的公共端通过开关S_X接地，且该公共端连接比较器的负输出端；另外，C0通过切换开关S₀在模拟输入信号Vin和地GND之间切换，而电容C₁、C₂、C₃、...、C_N的自由端分别通过开关S₁、S₂、...、S_N在模拟输入信号Vin、参考电压信号Vref和地GND之间切换。

在采样阶段，由开关S_X将电容阵列的公共端接地，而电容阵列的自由端连接到输入信号Vin。采样后，公共端与地断开，自由端与Vin断开，在电容阵列上有效地获得了与输入电压成比例的电荷量。然后，将所有电容的自由端接地，驱动公共端(其电压为Vx)至一个负压-Vin。

作为二进制搜索算法的第一步，比较器U₁先输出数字信号的最高位(即第N位)。电容C_N通过开关S_N与地断开并切换连接至参考电压信号Vref，驱动公共端Vx向正端移动1/2*Vref。因此，Vx＝-Vin+1/2×Vref。

如果Vx＜0(即Vin＞1/2×Vref)，比较器输出为逻辑1。如果Vin＜1/2×Vref，比较器输出为逻辑0；如果比较器输出为逻辑1，最高位的电容C_N保持连接至考电压信号Vref，否则，最高位的电容C_N通过开关S_N连接至地。

第二步，对应转换后数字信号次高位的电容C_N-1通过开关S_N-1连接至Vref，此时：当上一步比较器输出逻辑为1时，Vx＝-Vin+(1/2+1/4)×Vref；当上一步比较器U₁输出逻辑为0时，Vx＝-Vin+(1/2-1/4)×Vref。将新的Vx电压与地电位进行比较，比较器U₁输出对应的逻辑。

继续上述过程，一共经过N步直至数字信号所有位的值均确定下来。

简言之，Vx＝-Vin+B_N-1×Vref/2+B_N-2×Vref/4+B_N-3×Vref/8+...+B₀×Vref/2^N-1，其中B为比较器U₁输出的数字信号对应位数的逻辑电平，且该数字信号从最低位至最高位分别为第1位至第N位。

从前面描述的SAR ADC的工作原理可知，SAR ADC的最小可分辨电压与其位数N成反比。如果基准电压Vref＝1V，SAR ADC的量化位数N＝8，那么其最小可分辨电压约为3.9mV，即SAR ADC的最低有效位LSB＝3.9mV。而基准电压Vref＝1V则限定了SARADC可有效转换的动态范围为0～1V。

现有技术的缺点在于动态范围无法灵活设置，而且最小可分辨电压值也不够低，这样就容易造成应用和成本上的浪费。例如应用中碰到被测电压信号的范围为0.5V～0.6V，而系统要求的最小可分辨电压不超过0.5mV，按照现有技术至少需要使用N＝11位的SARADC。而最低有效位LSB＝0.5mV，N＝11位的SARADC可实现的测量动态范围可达0～1V，对于0.5V～0.6V的测量范围而言，显然在应用上有90％的动态范围被浪费了。如果能够将动态范围缩小到与测量范围相等，那么只需要N＝8位的SAR ADC即可。

再来看实际电路的设计，假设最小单位电容的大小为C，那么11位的二进制电容阵列需要的总电容大小为2048C，而8位的二进制电容阵列需要的总电容大小仅为256C。显然，电路在电容的成本上也存在着87.5％的浪费。

发明内容

本发明提出一种通过对逐次渐近型积分器的输入参考电压的调整有效的实现以最小的动态范围的逐次渐近型模数转换电路(SAR ADC)，解决现有SAR ADC存在浪费动态范围的技术问题。

本发明采用了如下技术方案来实现：一种用于实现最小动态范围的逐次渐近型模数转换电路，其包括：

具有模拟输入电压Vin的模拟输入信号；

输入信号为三个参考电压Vrp、Vrn和Vcm的积分器，按二进制搜索算法驱动其输出端输出电压Vda；

正输入端连接模拟输入信号、负输入端接积分器的输出电压Vda的比较器，其输出端逐步输出N位数字信号；

逐次渐近型的积分器包括：由N-1个按照二进制加权排列的电容C₁、C₂、C₃、...、C_N-1分别串接开关S₁、S₂、S₃、...、S_N-1组成的二进制电容阵列，其中，开关S₁、S₂、...、S_N-1的其中一个切换端连接参考电压Vcm，另一个切换端通过第一开关S_A连接参考电压Vrn、通过第二开关S_B连接参考电压Vrp，且二进制电容阵列连接运算放大器的负输入端；正输入端连接参考电压Vcm的运算放大器，其输出端连接比较器的负输入端；积分电容Cx串接开关S_x3后连接在运算放大器的负输入端与输出端之间，且积分电容Cx与开关S_x3的公共端通过开关S_x2接入参考电压Vcm，而开关S_x1连接在运算放大器的负输入端与输出端之间；

其中，N表示将模拟输入信号进行模拟-数字转换后的数字信号位数；Vcm为Vrp和Vrn的中间值，Vrp和Vrn的差值限定了模数转换电路的动态范围。

其中，积分器驱动输出电压Vda实现比较器输出第1位数字信号的步骤包括：开关S₁～S_N-1分别将二进制电容阵列连接到参考电压Vcm，开关S_x1导通让运算放大器处于单位增益负反馈的工作状态，开关S_x2导通，开关S_x3断开，使参考电压Vcm分别被二进制电容阵列和积分电容Cx采样；开关S_x1和S_x2断开，开关S_x3导通，将参考电压Vcm送至运算放大器的输出端，由比较器将运算放大器的输出电压Vda与模拟输入信号Vin进行比较；若Vin＞Vda，则比较器输出Vout＝1作为输出数字信号的第1位，并控制第一开关S_A断开，第二开关S_B导通；若Vin＜Vda，则比较器输出Vout＝0作为输出数字信号的第1位，并控制第一开关S_A导通，第二开关S_B断开。

其中，积分器驱动输出电压Vda实现比较器输出第m位数字信号的步骤包括：根据第1步中比较器输出端的输出结果，控制开关S_N-m+1将电容C_N-m+1的下极板接到参考电压Vrp或Vrn；控制开关S_x1导通让运算放大器处于单位增益负反馈的工作状态，开关S_x2导通，开关S_x3断开，此时参考电压Vcm被积分电容C_x采样、参考电压Vrn或参考电压Vrp被电容C_N-1的电容采样，然后开关S_x1和S_x2断开，开关S_x3导通，开关S_N-m+1将电容C_N-m+1的下极板接到参考电压Vcm，驱动运算放大器输出端电压Vda至比较器；由比较器将运算放大器输出端电压Vda与模拟输入信号的电压Vin进行比较，若Vin＞Vda，则比较器输出Vout＝1作为输出数字信号的第m位，若Vin＜Vda，则比较器输出Vout＝0作为输出数字信号的第m位；根据第m步比较器的输出结果控制开关S_N-m+1在第m步之后的步骤中对参考电压Vrp或Vrn采样，还是对Vcm采样；其中，1＜m≤N，且m为整数。

其中，若在第1步中比较器输出Vout＝1，则控制第一开关S_A断开且第二开关S_B导通，将参考电压Vrp通过开关S_N-m+1接入到电容C_N-m+1；若在第1步中比较器输出Vout＝0，则控制第一开关S_A导通，第二开关S_B断开，将参考电压Vrn通过开关S_N-m+1接入到电容C_N-m+1。

其中，在第1步中比较器输出Vout＝1时，若第m步中比较器输出Vout＝1，则控制开关S_N-m+1在第m步之后的步骤中对参考电压Vrp采样，若第m步中比较器输出Vout＝0，则控制开关S_N-m+1在第m步之后的步骤中对参考电压Vcm采样；在第1步中比较器输出Vout＝0时，若第m步中比较器输出Vout＝1，则控制开关S_N-m+1在第m步之后的步骤中对参考电压Vcm采样，若第m步中比较器输出端Vout＝0，则控制开关S_N-m+1在第m步之后的步骤中对参考电压Vrn采样。

其中，运算放大器输出端电压

其中Vref＝Vrp-Vrn。

其中，积分电容Cx的电容值为2^N-1C，其中C为在二进制电容阵列中对应第N位数字信号的电容C₁的电容值。

与现有技术相比，本发明具有如下有益技术效果：

本发明通过对逐次渐近型积分器的输入参考电压的调整有效的实现以最小的动态范围的SAR ADC电路来满足实际应用的要求，达到了既不浪费SAR ADC电路的动态范围，又节省了实际电路成本的目的。

附图说明

图1是SAR ADC的原理电路示意图；

图2是本发明的SAR ADC示意图；

图3是本发明SAR ADC一个实施例的电路结构示意图。

具体实施方式

本发明使用了一个逐次渐近型积分器(SAR Integrator)和一个比较器来实现一种小动态范围的SAR ADC电路。如图2所示，积分器的输入信号为三个参考电压Vrp、Vrn和Vcm，其中Vcm为Vrp和Vrn的中间值，Vrp和Vrn的差值即等于所述一种小动态范围的SAR ADC电路的基准电压Vref的值。由此可见，基准电压Vref限定了所述的一种小动态范围的SAR ADC电路的动态范围。

上述三个参考电压Vrp、Vrn和Vcm之间的关系用表达式表示如下：

Vref＝Vrp-Vrn         (1)

$\mathrm{Vcm}=\frac{1}{2}(\mathrm{Vrp}+\mathrm{Vrn})=\mathrm{Vrn}+\frac{1}{2}\mathrm{Vref}---\left(2\right)$

逐次渐近型积分器存在的意义是在SAR ADC电路的每一步转换过程中产生相应比例的基准电压，因此，积分器输出信号的参考电压等于对应转换步骤的基准电压。

结合图3所示，其给出了本发明所述的一种小动态范围的SAR ADC电路的一个具体实施例，在该实施例中SAR ADC电路的量化位数N位(bit)，N为正整数。其中由二进制电容阵列、积分电容Cx、运算放大器和第一开关S_A、第二开关S_B、开关S₁～S_N-1、以及开关S_x1～S_x3组成的电路单元构成积分器。

积分电容Cx串接开关S_x3后连接在运算放大器的负输入端与输出端之间，且积分电容Cx与开关S_x3的公共端通过开关S_x2接入参考电压Vcm，而开关S_x1连接在运算放大器的负输入端与输出端之间。SAR ADC电路的输入模拟信号Vin和积分器的输出电压Vda分别接到比较器U₁的正输入端和负输入端，比较器U₁的输出信号Vout为数字逻辑信号。

二进制电容阵列包括一个由N-1个按照二进制加权排列的电容C₁、C₂、C₃、...、C_N-1(N表示将模拟输入信号Vin进行模拟-数字转换后的数字信号位数)分别串接开关S₁、S₂、S₃、...、S_N-1组成的阵列。假如最低位对应的电容C₁＝C，那么C₂＝2C；C₃＝4C；...；C_N-1＝2^N-2C。电容C₁、C₂、C₃、...、C_N-1的公共端连接比较器的负输出端(其电压为Vx)。另外，电容C₁、C₂、C₃、...、C_N-1的自由端分别通过开关S₁、S₂、...、S_N-1在三个参考电压Vrp、Vrn和Vcm之间切换：开关S₁、S₂、...、S_N-1的其中一个切换端连接参考电压Vcm，另一个切换端通过第一开关S_A连接参考电压Vrn、通过第二开关S_B连接参考电压Vrp。

另外，积分电容Cx的大小可以根据实际情况灵活调整，Cx的典型值为2^N-1C(其中C为在二进制电容阵列中对应数字信号最低位的电容值，即为C₁的电容值)，第一开关S_A和第二开关S_B始终处于在同一时刻一个导通一个关闭的状态。

积分器的具体工作过程如下：

第1步，忽略第一开关S_A和第二开关S_B的状态，开关S₁～S_N-1分别将二进制电容阵列的接到参考电压Vcm，开关S_x1导通让运算放大器处于单位增益负反馈的工作状态，开关S_x2导通，开关S_x3断开，此时参考电压Vcm被二进制电容阵列以及积分电容Cx采样；然后开关S_x1和S_x2断开，开关S_x3导通，将Vcm(即)送至运算放大器的输出端(此时，运算放大器输出端的电压Vda＝Vcm)，由比较器将Vda与模拟输入信号的电压Vin进行比较，第一种情况如果则Vout＝1作为输出数字信号的最高位(第1位)，并控制第一开关S_A断开，第二开关S_B导通；第二种情况如果

则Vout＝0作为输出数字信号的最高位，并控制第一开关S_A导通，第二开关S_B断开；如过恰好有

则根据实际电路设计的不同在第二步将进入上面所描述的两种情况中的一种。

若第1步的结果为第一开关S_A导通，第二开关S_B断开，则在第2步进行搜索比较时，开关S_N-1将容值为2^N-2C的电容C_N-1的下极板接到参考电压Vrn，开关S_x1导通让运算放大器处于单位增益负反馈的工作状态，开关S_x2导通，开关S_x3断开，此时参考电压Vcm被积分电容C_x采样、参考电压Vrn被电容C_N-1的电容采样；然后开关S_x1和S_x2断开，开关S_x3导通；且开关S_N-1将电容C_N-1的下极板接到参考电压Vcm，运算放大器输出端电压送至比较器与模拟输入信号的电压Vin进行比较，第一种情况如果

则Vout＝1作为输出数字信号的第2位(次高位)，并控制开关S_N-1在第m步之后的步骤中对参考电压Vcm采样；第二种情况如果

则Vout＝0作为输出数字信号的第2位，并控制开关S_N-1在第m步之后的步骤中对Vrn采样。

相反的，若第1步的结果为第一开关S_A断开，第二开关S_B导通，则第2步进行比较时，开关S_N-1将电容C_N-1的下极板接到Vrp，开关S_x1导通让运算放大器处于单位增益负反馈的工作状态，开关S_x2导通，开关S_x3断开，此时参考电压Vcm被积分电容C_x采样、参考电压Vrp被电容C_N-1采样；然后开关S_x1和S_x2断开，开关S_x3导通，开关S_N-1将电容C_N-1的下极板接到参考电压Vcm，将送至Vda并由比较器与输入的模拟信号Vin进行比较：如果

则Vout＝1作为输出数字信号的次高位，并控制开关S_N-1在第m步之后的步骤中对参考电压Vrp采样；如果

则比较器Vout＝0作为输出数字信号的次高位，并控制开关S_N-1在第m步之后的步骤中对参考电压Vcm采样。

类似的一步步进行搜索比较。第m步搜索比较的步骤如下：首先，在第m步(其中，1＜m≤N，且m为整数)搜索比较时，根据第1步中比较器输出端的输出结果，控制开关S_N-m+1将电容C_N-m+1的下极板接到参考电压Vrp或Vrn：若在第1步中比较器输出端Vout＝1，则控制第一开关S_A断开且第二开关S_B导通，将参考电压Vrp通过开关S_N-m+1接入到电容C_N-m+1；若在第m-1步中比较器输出端Vout＝0，则控制第一开关S_A导通，第二开关S_B断开，将参考电压Vrn通过开关S_N-m+1接入到电容C_N-m+1。其次，控制开关S_x1导通让运算放大器处于单位增益负反馈的工作状态，开关S_x2导通，开关S_x3断开，此时参考电压Vcm被积分电容C_x采样、参考电压Vrn或参考电压Vrp被电容C_N-m+1的电容采样；然后开关S_x1和S_x2断开，开关S_x3导通，开关S_N-m+1将电容C_N-m+1的下极板接到参考电压Vcm，运算放大器输出端电压

再次，将运算放大器输出端电压送至比较器与模拟输入信号的电压Vin进行比较：若

则比较器的输出端Vout＝1作为输出数字信号的第m位；若

则比较器的输出端Vout＝0作为输出数字信号的第m位。最后，根据第m步比较器的输出Vout控制开关S_N-m+1的状态：在第1步中比较器输出端Vout＝1时，若第m步中比较器输出端Vout＝1，则控制开关S_N-m+1在第m步之后的步骤中对参考电压Vrp采样，若第m步中比较器输出端Vout＝0，则控制开关S_N-m+1在第m步之后的步骤中对参考电压Vcm采样；在第1步中比较器输出端Vout＝0时，若第m步中比较器输出端Vout＝1，则控制开关S_N-m+1在第m步之后的步骤中对参考电压Vcm采样，若第m步中比较器输出端Vout＝0，则控制开关S_N-m+1在第m步之后的步骤中对参考电压Vrn采样。

由此类推，当第N步运算放大器将

中的一个值送至比较器与输入的模拟信号Vin进行比较，将输出信号Vout＝1或Vout＝0作为输出数字信号的最低位(即第N位)，即完成了一次量化位数N位的小动态范围的SAR ADC电路的模-数转换过程，获得了一个N位的二进制数字信号。

继续沿用前面所述的应用示例，假设被测电压信号的范围为0.5V～0.6V，而系统要求的最小可分辨电压不超过0.5mV。那么设计Vrp＝0.6V，Vrn＝0.5V，Vcm＝0.55V，并使用一个N＝8bit的如图3所示的SAR ADC构成一个最小有效位LSB＝0.39mV的小动态范围的SARADC电路即可满足应用要求。

综上，本发明通过对逐次渐近型积分器的输入参考电压的调整有效的实现以最小的动态范围的SAR ADC电路来满足实际应用的要求，达到了既不浪费SAR ADC电路的动态范围，又节省了实际电路成本的目的。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种用于实现最小动态范围的逐次渐近型模数转换电路，其特征在于，包括：

输入信号为三个参考电压Vrp、Vrn和Vcm的逐次渐近型积分器，按二进制搜索算法驱动其输出端输出电压Vda；

正输入端连接输入电压Vin的模拟输入信号、负输入端接积分器的输出电压Vda的比较器，其输出端逐步输出N位数字信号；

积分器包括：由N-1个按照二进制加权排列的电容C₁、C₂、C₃、...、C_N-1分别串接开关S₁、S₂、S₃、...、S_N-1组成的二进制电容阵列，其中，开关S₁、S₂、...、S_N-1的一个切换端连接参考电压Vcm，另一个切换端通过第一开关S_A和第二开关S_B分别连接参考电压Vrn和参考电压Vrp，且二进制电容阵列连接运算放大器的负输入端；正输入端连接参考电压Vcm的运算放大器，其输出端连接比较器的负输入端；积分电容Cx串接开关S_x3后连接在运算放大器的负输入端与输出端之间，且积分电容Cx与开关S_x3的公共端通过开关S_x2接入参考电压Vcm，而开关S_x1连接在运算放大器的负输入端与输出端之间；

其中，N表示将模拟输入信号进行模拟-数字转换后的数字信号位数；Vcm为Vrp和Vrn的中间值，Vrp和Vrn的差值限定了模数转换电路的动态范围。

2.根据权利要求1所述用于实现最小动态范围的逐次渐近型模数转换电路，其特征在于，积分器驱动输出电压Vda实现比较器输出第1位数字信号的步骤包括：

开关S₁～S_N-1分别将二进制电容阵列连接到参考电压Vcm，开关S_x1导通让运算放大器处于单位增益负反馈的工作状态，开关S_x2导通，开关S_x3断开，使参考电压Vcm分别被二进制电容阵列和积分电容Cx采样；

开关S_x1和S_x2断开，开关S_x3导通，将参考电压Vcm送至运算放大器的输出端，由比较器将运算放大器的输出电压Vda与模拟输入信号Vin进行比较；

若Vin＞Vda，则比较器输出Vout＝1作为输出数字信号的第1位，并控制第一开关S_A断开，第二开关S_B导通；若Vin＜Vda，则比较器输出Vout＝0作为输出数字信号的第1位，并控制第一开关S_A导通，第二开关S_B断开。

3.根据权利要求1所述用于实现最小动态范围的逐次渐近型模数转换电路，其特征在于，积分器驱动输出电压Vda实现比较器输出第m位数字信号的步骤包括：

根据第1步中比较器输出端的输出结果，控制开关S_N-m+1将电容C_N-m+1的下极板接到参考电压Vrp或Vrn；

控制开关S_x1导通让运算放大器处于单位增益负反馈的工作状态，开关S_x2导通，开关S_x3断开，此时参考电压Vcm被积分电容C_x采样、参考电压Vrn或参考电压Vrp被电容C_N-m+1的电容采样，然后开关S_x1和S_x2断开，开关S_x3导通，开关S_N-m+1将电容C_N-m+1的下极板接到参考电压Vcm，驱动运算放大器输出端电压Vda至比较器；

由比较器将运算放大器输出端电压Vda与模拟输入信号的电压Vin进行比较，若Vin＞Vda，则比较器输出Vout＝1作为输出数字信号的第m位，若Vin＜Vda，则比较器输出Vout＝0作为输出数字信号的第m位；

根据第m步比较器的输出结果控制开关S_N-m+1在第m步之后的步骤中对参考电压Vrp和参考电压Vrn的其中之一或参考电压Vcm采样；

其中，1＜m≤N，且m为整数；第1位为最高位，第N位为最低位。

4.根据权利要求3所述用于实现最小动态范围的逐次渐近型模数转换电路，其特征在于，若在第1步中比较器输出Vout＝1，则控制第一开关S_A断开且第二开关S_B导通，将参考电压Vrp通过开关S_N-m+1接入到电容C_N-m+1；若在第1步中比较器输出Vout＝0，则控制第一开关S_A导通，第二开关S_B断开，将参考电压Vrn通过开关S_N-m+1接入到电容C_N-m+1。

5.根据权利要求3所述用于实现最小动态范围的逐次渐近型模数转换电路，其特征在于，在第1步中比较器输出Vout＝1时，若第m步中比较器输出Vout＝1，则控制开关S_N-m+1在第m步之后的步骤中对参考电压Vrp采样，若第m步中比较器输出Vout＝0，则控制开关S_N-m+1在第m步之后的步骤中对参考电压Vcm采样；在第1步中比较器输出Vout＝0时，若第m步中比较器输出Vout＝1，则控制开关S_N-m+1在第m步之后的步骤中对参考电压Vcm采样，若第m步中比较器输出端Vout＝0，则控制开关S_N-m+1在第m步之后的步骤中对参考电压Vrn采样。

6.根据权利要求3所述用于实现最小动态范围的逐次渐近型模数转换电路，其特征在于，运算放大器输出端电压 $\mathrm{Vda}=\mathrm{Vrn}+(\frac{1}{2}\±\frac{1}{4}\·\·\·\±\frac{1}{2^m})\mathrm{Vref},$ 其中Vref＝Vrp-Vrn。

7.根据权利要求1-6任何一项所述用于实现最小动态范围的逐次渐近型模数转换电路，其特征在于，积分电容Cx的电容值为2^N-1C，其中C为在二进制电容阵列中对应第N位数字信号的电容C₁的电容值。

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