CN107728829B - 触摸屏控制器中的采样频率及累积器扫描 - Google Patents

触摸屏控制器中的采样频率及累积器扫描 Download PDF

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Abstract

本申请涉及触摸屏控制器中的采样频率及累积器扫描。本文描述了一种电路，包括电荷‑电压转换器电路，该电荷‑电压转换器电路具有输入端和输出端，该输入端被耦合以便接收来自与待感测互电容相关联的感测节点的感测信号。复位开关被耦合在该电荷‑电压转换器电路的该输出端与该电荷‑电压转换器的该输入端之间。累积器电路被配置成用于累积该电荷‑电压转换器电路的该输出端处的电压并且用于生成累积器输出信号。控制电路被配置成用于生成针对该复位开关和该累积器电路的控制信号，以便减小该累积器输出信号中的噪声。

Description

触摸屏控制器中的采样频率及累积器扫描
技术领域
本公开总体上涉及电容式触摸屏控制器，并且更具体地涉及用于对互电容进行采样的频率和累积器扫描技术。
背景技术
触摸屏显示器是可以检测与其接触或与其接近的物体的设备。例如，触摸屏显示器包括覆盖有触敏矩阵的显示层，该触敏矩阵可以检测用户经由手指或触笔的触摸。触摸屏显示器用于各种应用中，比如，移动电话、平板计算机和智能手表。触摸屏显示器可以使各种类型的用户输入成为可能，如经由显示的虚拟键盘来触摸项目选择或字母数字输入。触摸屏显示器可以测量用户触摸的各种参数，如位置、持续时间等。
一种类型的触摸屏显示器是电容式触摸屏。电容式触摸屏可以包括覆盖在显示层上的导电行和列的矩阵，形成互电容传感器。在互电容传感器中，可以感测在矩阵的每行和列的相交处的互电容。行与列之间的互电容的变化可以指示对象(如手指)正在触摸屏幕或在靠近行与列的交叉区域的屏幕附近。
采用互电容传感器的触摸屏显示器采用向电容式触摸矩阵的列导体施加的“力迫(Forcing)”信号。在对应行导体上对耦合信号进行感测以便检测互电容的变化。由于手指引起的电容变化很小，所以噪声减小在实现令人满意的操作时是重要的。一种已知的噪声源是从环境注入的外部噪声。为了实现高信噪比(SNR)，必须考虑这种噪声源。这种外部噪声源的功率经常集中在几个谐波中。
虽然存在用于补偿引入噪声的技术，但是所提供的补偿可能不够。因此，本领域中需要开发用于补偿引入噪声的技术。
发明内容
本文描述了一种电路，该电路包括电荷-电压转换器电路，该电荷-电压转换器电路具有输入端和输出端，该输入端被耦合以便接收来自与待感测互电容相关联的感测节点的感测信号。复位开关被耦合在该电荷-电压转换器电路的该输出端与该电荷-电压转换器的该输入端之间。累积器电路被配置成用于累积该电荷-电压转换器电路的该输出端处的电压并且用于生成累积器输出信号。控制电路被配置成用于生成针对该复位开关和该累积器电路的控制信号，以便减小该累积器输出信号中的噪声。
针对该复位开关的这些控制信号限定该累积器电路的采样频率，并且该累积器电路根据该采样频率累积该电荷-电压转换器的该输出端处的这些电压。该采样频率基于时钟频率、针对该复位开关的这些控制信号的计数器时间以及该电荷-电压转换器电路的收敛计数器时间。
该电荷-电压转换器电路的传递函数根据该采样频率而在频率位置处具有陷波，并且针对该复位开关的这些控制信号用于移动这些陷波的这些频率位置。
针对该复位开关的这些控制信号限定该累积器电路的采样频率，并且该累积器电路根据该采样频率累积该电荷-电压转换器的该输出端处的这些电压。该采样频率基于时钟频率、针对该复位开关的这些控制信号的计数器时间以及该电荷-电压转换器电路的收敛计数器时间。
该电荷-电压转换器电路的传递函数根据该采样频率而在频率位置处具有陷波，并且针对该复位开关的这些控制信号用于移动这些陷波的这些频率位置。
该控制电路在该感测信号包括噪声而不是期望信号分量的情况下被配置成用于修改这些控制信号以便跨某一频率范围扫描该采样频率、随着该采样频率被扫描而监测该累积器输出信号、以及选择在其处该累积器输出信号被最小化的该采样频率。
该累积器电路在每个采样频率处累积该电荷-电压转换器的该输出端处的这些电压给定次数。累积器电路的传递函数根据该累积器电路在每个采样频率处累积该电荷-电压转换器的该输出端处的这些电压的该给定次数而在频率位置处具有陷波。这些控制信号用于改变该给定次数，以便将该累积器电路的该传递函数中的这些陷波朝该采样频率移动。
每个陷波的频率基于采样频率、该累积器电路累积该电荷-电压转换器的该输出端处的这些电压的该改变的给定次数以及该陷波的谐波数。
该控制电路在该感测信号包括噪声而不是期望信号分量的情况下被配置成用于：随着该累积器电路累积这些电压该给定次数而监测每次累积时的这些累积电压；以及选择累积次数，在其处在该累积次数内补偿的这些累积电压被最小化。
该累积器电路可以是级联积分梳状滤波器。此外，补偿电路可以被耦合至该累积器电路并且被配置成用于对该累积电压进行如由该控制信号改变的、该累积器电路在每个采样点处累积该电荷-电压转换器的该输出端处的该电压的该给定次数次补偿。
模数转换器电路可以被配置成用于将这些累积电压转换成指示该感测到的互电容的输出数字值。
一种方法一方面包括使用时钟信号的每R个周期复位一次的电荷-电压转换器电路来对来自与待感测的互电容相关联的感测节点的感测信号进行采样。该方法进一步包括使用累积器电路每R周期N次地累积所述电荷-电压转换器的输出端处的电压以便生成累积器输出信号。控制该电荷-电压转换器以便改变R，并且控制该累积器电路以便改变N，从而减小该累积器输出信号中的噪声。该控制电路在该感测信号包括噪声而不是期望信号分量的情况下被配置成用于修改这些控制信号以便跨某一频率范围扫描该采样频率、随着该采样频率被扫描而监测该累积器电路的输出、以及选择在其处该累积器电路的该输出被最小化的该采样频率。
另一方面涉及触摸屏控制器集成电路。该触摸屏控制器集成电路包括电荷-电压转换器电路，该电荷-电压转换器电路具有输入端和输出端，该输入端被耦合以便接收来自与待感测互电容相关联的感测节点的感测信号。复位开关被耦合在该电荷-电压转换器电路的该输出端与该电荷-电压转换器的该输入端之间。累积器电路被配置成用于累积该电荷-电压转换器电路的该输出端处的电压并且用于生成累积器输出信号。控制电路被配置成用于生成针对该复位开关和该累积器电路的控制信号，以便减小该累积器输出信号中的噪声。针对该复位开关的这些控制信号限定该复位开关的每次复位的周期数R，从而确定该累积器电路的采样频率。针对该累积器电路的这些控制信号限定每R周期的累积次数N。
附图说明
图1展示了电容式触摸矩阵的一部分；
图2展示了矩阵中的互电容交叉；
图3是触摸屏系统的框图；
图4展示了是触摸屏控制器的细节；
图4A是图4的补偿电路的框图。
图5示出了来自图3的电荷-电压转换器的样本输出；
图6A至图6I示出了随着采样频率被扫描沿梳状滤波的采样点位置。
图7A至图7F示出了随着累积次数被扫描沿梳状滤波的采样点位置。
图8示出了在确定采样频率和累积次数的优选值之后的样本累积器输出。
具体实施方式
在不同的附图中，相同的要素用相同的参考号标示。具体地，不同实施例所共用的结构和/或功能要素可以用相同的参考号来标示并且可以具有完全相同的结构性质、尺寸性质和材料性质。为了清楚起见，已经示出了并将描述对理解所描述的实施例有用的那些步骤和要素。
现在参照图1，该图示出了电容式触摸矩阵10的一部分，该电容式触摸矩阵包括多个导电行12和多个导电列14。每个行12和列14由形成导电线或迹线的多个串联的菱形区域16形成。这些导电行12和导电列14在交叉点处在彼此上方或下方交叉，但彼此不电接触。由于菱形图案，这些导电列12和导电列14通过电容间隙18彼此分开。菱形图案可以提供在导电行12与导电列14之间减小的电容。当物体接触或接近矩阵10时，电容式触摸矩阵10可以感测修改电容间隙18上方的边缘电场的物体。
图2示出了当选择了导电行12和导电列14时，行导体与列导体之间的电容器(参考号70，图4)的总电容是所选行和列的四个相邻菱形区域16之间的四个电容20之和。可以感测所选行导体12与列导体14之间的电容器的互电容，以便判定物体是否在形成这四个电容20的区域上方接触或接近矩阵10。可以连续选择电容式触摸矩阵10的每个导电行12和导电列14以便感测触摸矩阵的每个交叉点处的电容。
图3是触摸屏系统40的框图，该触摸屏系统包括电容式触摸矩阵10和相关联的触摸屏控制器42。如以上所讨论的，尽管应当理解的是可以使用任何合适的形状，但是电容式触摸矩阵10可以利用行导体和列导体的菱形区域。出于清楚的原因，在图3中未示出这种结构。相反，导电行(R1-Rm)12和导电列(C1-Cn)14被更简单地展示为交叉导体线段。触摸屏控制器42包括用于选择电容式触摸矩阵的行和列的行开关矩阵44和列开关矩阵46，进行这种选择以便在矩阵10内选择特定互电容以进行感测。列开关矩阵46接收由力驱动器48生成的力信号并且选择性地向列14中的每列顺序地施加力信号。行开关矩阵44顺序地选择行12中的一行或多行以便连接至电容-数字转换器电路50，该电容-数字转换器电路进行操作以便感测电容式触摸矩阵10中的电容器的互电容的电荷并将该感测到的电荷转换为数字值以供输出。
现在另外地参考图4，该图示出了触摸屏控制器42的细节。为了简化说明，省略了用于在所选行12和所选列14处选择矩阵10中的特定电容器70的行开关矩阵44和列开关矩阵46的细节。力驱动器48接收发射信号TX并向与所选电容器70的列14相关联的力节点74施加力信号。发射信号TX为具有某一频率的交流(AC)信号。在实施例中，发射信号TX为方波信号。因此，力信号72也为具有相应频率的AC信号，该AC信号通过所选电容器被耦合以便生成从与所选电容器70的行12相关联的感测节点80输出的感测信号。
电荷-电压(C2V)转换器电路86包括积分器电路，该积分器电路由具有第一输入端、第二输入端和输出端的运算放大器86形成。积分电容器96被耦合在输出端与第一输入端之间。参考电压(V参考)被施加于运算放大器86的第二输入端上。复位开关102与积分电容器96并联地耦合在输出端与第一输入端之间。控制信号PHI_R控制复位开关102的打开和关闭。例如，复位开关102可以被实现为晶体管器件(比如，MOSFET)。
电荷-电压转换器电路86对来自从感测节点80输出的感测信号的电荷进行积分。电荷-电压转换器电路86在其输出端处生成电压，该电压与参考电压V参考的偏移指示在电容器70处的感测互电容。此后，控制信号PHI_R转变到被配置成用于关闭复位开关102并且在积分电容器96两端进行短路的第一逻辑状态。这导致电荷-电压转换器电路86的复位，这使得输出端处的电压等于参考电压V参考。
触摸屏控制器42进一步包括具有输入端的累积器电路110(比如，级联积分梳状滤波器)，该输入端通过斩波器109被耦合至电荷-电压转换器电路86的输出端。控制信号PHI_CHO控制斩波器109的操作。累积器电路110接收在斩波器109的输出端处生成的电压。控制信号PHI_CHO被定时以便就在控制信号PHI_R关闭复位开关102的时间之前关闭开关112。因此，累积器电路110接收指示电容器70处的感测互电容的积分电压。累积器电路110在多个累积周期N内累积从电荷-电压转换器电路86输出的电压。
补偿电路115在累积周期数N内对累积器电路110输出的信号进行补偿和归一化。触摸屏控制器42仍进一步包括具有输入端的模数(A/D)转换器电路120，该输入端被耦合至补偿电路115的输出端。A/D转换器电路120对所采样的和所补偿的累积电压进行转换并且生成相应数字信号。
如图4A中所示出的，补偿电路115包括复用器119，该复用器具有耦合至多个补偿子电路116至118的输入端并且由控制信号PHI_COMP控制。对输入端的选择对应于所执行的累积周期数N。
控制电路130生成具有适当逻辑状态和定时的控制信号PHI_R、PHI_CHO、PHI_COMP和PHI_ACC，以便完成以上所描述的操作。控制电路130可以包括逻辑电路。更具体地，控制电路130可以包括被适当地设计或编程成用于生成控制信号的逻辑电路、可编程逻辑、微控制器或微处理器电路。控制电路130被进一步配置成用于生成发射信号TX。
在操作中，控制电路130生成针对复位开关和累积器电路的控制信号PHI_R、PHI_CHO和PHI_ACC，以便减小累积器输出信号中的噪声。针对复位开关102的控制信号PHI_R限定累积器电路86的采样频率。更详细地，这个采样频率基于系统的时钟频率(CLK_频率)、控制信号PHI_R的计数器时间R、以及电荷-电压转换器电路86本身的收敛计数器时间(C2V_收敛_时间)。采样频率Fs可被计算为：
Fs＝CLK_频率/(C2V_收敛_时间*R)。
图5中示出了电荷-电压转换器电路86的样本输出连同采样频率Fs的样本计算，该样本输出示出了收敛计数器时间和复位。
累积器电路110具有与其相关联的传递函数，该传递函数导致对梳状滤波的执行。此传递函数在某些频率处具有陷波并且由此用于阻挡这些频率处的信号。如应当理解的，在节点80处输出的感测信号包括期望信号分量(其表示触摸数据)以及噪声分量。该噪声分量是时变的，而期望信号分量(在针对触摸感测而研究的时间标度上)是恒定的。为了滤出噪声分量，期望以在梳状滤波元件的陷波之一中或尽可能靠近梳状滤波元件的陷波之一的采样频率来对感测信号进行采样。
为此，触摸屏控制器42可以在校准模式下进行操作以便找到期望的采样频率从而减小检测噪声。在校准模式下，触摸屏控制器42可以被设置成使得在节点80处输出的感测信号不包括期望信号分量并且因此仅包括噪声。由于采样频率Fs是基于R，所以控制电路130可以在校准模式下跨R值范围进行扫描，试图找到来自累积器电路110的噪声低于其他输出的输出。作为示例，如图6A至图6I中所示出的，不同R值导致不同采样频率，这进而移动了陷波的位置。在采样频率接近陷波的情况下，噪声衰减比采样频率远离陷波的情况更大。
随着R值被扫描，控制电路130监测累积器电路110的输出，并且判定输出在哪个R值下是最低的并且因此在哪个噪声衰减下是最高的。电压转换器电路86的输出最低时的R值由控制电路130标记。在图6A至图6I中示出的采样扫描中，示出R值19以便导致最大噪声衰减(因为其最靠近陷波)。
然而，在一些实例中，可能不存在将采样频率Fs设置成使得采样频率处于陷波滤波器的陷波中的R值。因此，如以下将解释的，可以调整由累积器电路110执行的滤波以便执行进一步滤波。
如所解释的，累积器电路110在N个累积周期内累积从电荷-电压转换器电路86输出的电压。也就是说，在每个采样点处，执行N次累积。累积器电路110的传递函数的陷波被定位在每个谐波数以及电流值N和采样频率Fs的函数处。数学上，这可以被表示为：
陷波_频率＝谐波*Fs/N。
因此，例如，在N为5的情况下，第一陷波将在Fs/5处，第二陷波将在2Fs/5处，第三陷波将在3Fs/5处等。
如从以上可以看出的，对于给定采样频率Fs，陷波的位置基于N。因此，可以通过改变N来变更陷波自身的位置，其目的是移动陷波，从而使得采样点在陷波中。为此，当在校准模式下时，控制电路130可以扫描N值范围。这是通过以下方式来执行的：简单地按照等于要扫描的值范围的上限的次数N来进行累积，并且检查每次累积的结果。在扫描结束时，选择导致从累积器电路110输出的最低信号的累积次数。
在图7A至图7F中示出的样本扫描中，对于R值12，示出N值42以便导致从累积器电路110输出的最低信号以及因此最大的噪声衰减。
既然已经找到了适当的R值和N值，触摸屏控制器42切换到正常操作模式中，在该正常操作模式下，控制电路110控制开关102，从而使得R被设置为从校准模式确定的值，并且控制累积器电路110，从而使得N被设置为从校准模式确定的值。如图8中所示出的，针对以上示例，在R和N已经被分别确定为12和42的情况下，可获得很大程度的噪声衰减。
已经描述了各种实施例。本领域技术人员将容易想到各种变更、修改和改进。另外，基于上文给出的功能指示，已经描述的实施例的实际实施方式在本领域技术人员的能力之内。

Claims (19)

1.一种电路，包括：
电荷-电压转换器电路，所述电荷-电压转换器电路具有输入端和输出端，所述输入端被耦合以便接收来自与待感测互电容相关联的感测节点的感测信号；
复位开关，所述复位开关被耦合在所述电荷-电压转换器电路的所述输出端与所述电荷-电压转换器的所述输入端之间；
累积器电路，所述累积器电路被配置成用于累积在所述电荷-电压转换器电路的所述输出端处的电压并且用于生成累积器输出信号；
控制电路，所述控制电路被配置成用于生成针对所述复位开关和所述累积器电路的控制信号，以便减小所述累积器输出信号中的噪声，其中，针对所述复位开关的所述控制信号限定所述累积器电路的采样频率；
其中，所述累积器电路根据所述采样频率累积所述电荷-电压转换器的所述输出端处的所述电压；
其中，所述累积器电路在每个采样频率处累积所述电荷-电压转换器的所述输出端处的所述电压给定次数；
其中，所述累积器电路的传递函数根据所述累积器电路在每个采样频率处累积所述电荷-电压转换器的所述输出端处的所述电压的所述给定次数而在频率位置处具有陷波；以及
其中，所述控制信号用于改变所述给定次数，以便将所述累积器电路的所述传递函数中的所述陷波朝所述采样频率移动。
2.如权利要求1所述的电路，其中，所述采样频率基于时钟频率、针对所述复位开关的所述控制信号的计数器时间以及所述电荷-电压转换器电路的收敛计数器时间。
3.如权利要求1所述的电路，其中，针对所述复位开关的所述控制信号用于移动所述陷波的所述频率位置。
4.如权利要求3所述的电路，其中，所述控制电路在所述感测信号包括噪声而不是期望信号分量的情况下被配置成用于：
修改所述控制信号以便跨某一频率范围扫描所述采样频率；
随着所述采样频率被扫描而监测所述累积器输出信号；以及
选择在其处所述累积器输出信号被最小化的所述采样频率。
5.如权利要求1所述的电路，其中，每个陷波的频率基于所述采样频率、所述累积器电路累积所述电荷-电压转换器的所述输出端处的所述电压的所述改变的给定次数以及所述陷波的谐波数。
6.一种电路，包括：
电荷-电压转换器电路，所述电荷-电压转换器电路具有输入端和输出端，所述输入端被耦合以便接收来自与待感测互电容相关联的感测节点的感测信号；
复位开关，所述复位开关被耦合在所述电荷-电压转换器电路的所述输出端与所述电荷-电压转换器的所述输入端之间；
累积器电路，所述累积器电路被配置成用于累积在所述电荷-电压转换器电路的所述输出端处的电压，并且用于生成累积器输出信号；
控制电路，所述控制电路被配置成用于生成针对所述复位开关和所述累积器电路的控制信号，以便减小所述累积器输出信号中的噪声，其中，针对所述复位开关的所述控制信号限定所述累积器电路的采样频率；
其中，所述累积器电路根据所述采样频率累积所述电荷-电压转换器的所述输出端处的所述电压；
其中，所述累积器电路在每个采样频率处累积所述电荷-电压转换器的所述输出端处的所述电压给定次数；以及
其中，所述控制电路在所述感测信号包括噪声而不是期望信号分量的情况下被配置成用于：
随着所述累积器电路累积所述电压所述给定次数，监测每次累积时的所累积的所述电压；以及
选择累积次数，在其处在所述累积次数内补偿的所累积的所述电压被最小化。
7.如权利要求1所述的电路，其中，所述累积器电路包括级联积分梳状滤波器。
8.如权利要求5所述的电路，进一步包括补偿电路，所述补偿电路被耦合至所述累积器电路并且被配置成用于对所累积的所述电压进行由所述控制信号改变的、所述累积器电路在每个采样点处累积所述电荷-电压转换器的所述输出端处的所述电压的所述给定次数次补偿。
9.如权利要求8所述的电路，进一步包括模数转换器电路，所述模数转换器电路被配置成用于将所累积的所述电压转换成指示所述感测到的互电容的输出数字值。
10.一种方法，包括：
使用时钟信号的每R个周期复位一次的电荷-电压转换器电路来对来自与待感测的互电容相关联的感测节点的感测信号进行采样；
使用累积器电路每R周期N次地累积所述电荷-电压转换器的输出端处的电压以便生成累积器输出信号；以及
控制所述电荷-电压转换器以便改变R，并且控制所述累积器电路以便改变N，从而通过调整所述累积器电路的传递函数中的陷波的位置来减小所述累积器输出信号中的噪声。
11.如权利要求10所述的方法，其中，在设置操作模式下：
所述感测信号具有噪声分量而不是触摸信号分量；
所述电荷-电压转换器被控制以便在监测所述电荷-电压转换器的输出的同时在某一值范围上扫描R；以及
选择R值，在所述R值处，所述累积器输出信号的输出被最小化。
12.如权利要求11所述的方法，其中，同样在所述设置操作模式下：
在N次累积上监测所述累积器输出信号以便确定N值，在所述N值处，所述累积器输出信号被最小化；以及
选择所述N值，在所述N值处，所述累积器输出信号被最小化。
13.如权利要求12所述的方法，其中，所述累积器电路的采样频率被定义为R的函数。
14.如权利要求13所述的方法，其中，所述累积器电路的所述传递函数中的所述陷波的位置各自为所述采样频率除以N的谐波。
15.如权利要求12所述的方法，其中，在正常的操作模式下：
对所述电荷-电压控制器进行控制以便将R设置为在其处所述累积器输出信号被最小化的值；以及
对所述累积器电路进行控制以便将N设置为在其处所述累积器输出信号被最小化的值。
16.如权利要求15所述的方法，进一步包括从所述正常操作模式周期性地切换为所述设置操作模式。
17.一种触摸屏控制器集成电路，包括：
电荷-电压转换器电路，所述电荷-电压转换器电路具有输入端和输出端，所述输入端被耦合以便接收来自与待感测互电容相关联的感测节点的感测信号；
复位开关，所述复位开关被耦合在所述电荷-电压转换器电路的所述输出端与所述电荷-电压转换器的所述输入端之间；
累积器电路，所述累积器电路被配置成用于累积在所述电荷-电压转换器电路的所述输出端处的电压并且用于生成累积器输出信号；
控制电路，所述控制电路被配置成用于生成针对所述复位开关和所述累积器电路的控制信号，以便减小所述累积器输出信号中的噪声；
其中，针对所述复位开关的所述控制信号限定所述复位开关的每次复位的周期数R，从而确定所述累积器电路的采样频率；
其中，针对所述累积器电路的所述控制信号限定每R周期的N累积次数；以及
其中，所述累积器电路具有传递函数，所述传递函数在被定义为所述采样频率和N的函数的位置处具有陷波。
18.一种触摸屏控制器集成电路，包括：
电荷-电压转换器电路，所述电荷-电压转换器电路具有输入端和输出端，所述输入端被耦合以便接收来自与待感测互电容相关联的感测节点的感测信号；
复位开关，所述复位开关被耦合在所述电荷-电压转换器电路的所述输出端与所述电荷-电压转换器的所述输入端之间；
累积器电路，所述累积器电路被配置成用于累积在所述电荷-电压转换器电路的所述输出端处的电压，并且用于生成累积器输出信号；
控制电路，所述控制电路被配置成用于生成针对所述复位开关和所述累积器电路的控制信号，以便减小所述累积器输出信号中的噪声；
其中，针对所述复位开关的所述控制信号限定所述复位开关的每次复位的周期数R，从而确定所述累积器电路的采样频率；
其中，针对所述累积器电路的所述控制信号限定每R周期的N累积次数；以及
其中，所述控制信号在某一值范围内扫描R，以便确定将所述累积器输出信号最小化的优选R值。
19.如权利要求18所述的触摸屏控制器集成电路，其中，所述控制电路确定针对将所述累积器输出信号最小化的所述优选R值的优选N值。
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