CN113193839B - 信号接收放大电路及传感器 - Google Patents

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CN113193839B CN202110377521.9A CN202110377521A CN113193839B CN 113193839 B CN113193839 B CN 113193839B CN 202110377521 A CN202110377521 A CN 202110377521A CN 113193839 B CN113193839 B CN 113193839B
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Abstract

本申请公开了一种信号接收放大电路及传感器,该电路包括信号接收器、电压设置器和运算放大电路;其中,电压设置器用于设置信号接收器的静态直流电压与运算放大电路的参考电压一致;信号接收器用于接收外界信号,并将外界信号转换为交流电压信号,且将交流电压信号与静态直流电压叠加,得到输出信号输出至运算放大电路;运算放大电路用于对输出信号与参考电压的差进行放大,得到放大信号。本申请通过电压设置器设置信号接收器的静态直流电压和运算放大电路的参考电压一致,与传统技术方法相比,在降低交流电压信号的衰减的同时,还补偿了运算放大电路的偏置电压,实现了低成本元器件搭建高精度高放大率低噪声的信号接收放大电路。

Description

信号接收放大电路及传感器
技术领域
本申请涉及电子电路技术领域,具体涉及一种信号接收放大电路及传感器。
背景技术
超声波测距是一种常用的测距方法,在倒车雷达等领域已经得到广泛应用。通常情况下,超声波测距系统由超声波发射器和超声波接收器组成,超声波发射器基于压电效应,将交流电压加载于压电材料两级,由压电材料将交流电压转换为机械振动并发射超声波。超声波接收器中接收超声波的压电材料则将机械振动转换为交流电信号,交流电信号经放大后被模数转换器采样获取。超声波测距是典型的时差法(Time of Flight,ToF)测距,其以发射脉冲峰值和接收脉冲峰值之间的时间差结合声速来进行距离的测算。
现有技术中,为了增强接收信号的信号强度,可以在超声波发射器端加大超声波信号的发射能量,也可以提高超声波接收器端的接收增益和放大增益。其中,由于加大发射能量和提高接收增益会有很高的边际成本,因此,通常情况下,优先是采用提高超声波接收器端的放大增益的方法来增强接收信号的信号强度,其中,传统方法是采用级联运算放大电路来提高超声波接收器端的放大增益。
由于物联网对低功耗低成本的要求颇高,超声波发射器和超声波接收器都愈加小型化,而器件的小型化会导致传统的级联运算放大电路对超声波接收器的放大增益有所降低,从而达不到理想的放大效果,这是由于超声波接收器端的压电材料将机械振动即声压转换为电压的大小,受电路参数影响,尤其是放大电路输入级的隔直电容、寄生电容、电压偏置电路等,这相当于在超声波接收器或信号接收器和放大级之间引入了较大的负载,当接收级越来越小型化,负载削弱信号的程度也越严重,并且运算放大电路自身的反馈电阻也相当于负载,同样会导致信号的衰减。
发明内容
本申请提供一种信号接收放大电路及传感器,旨在解决现有技术中传统级联运算放大电路中的隔直电容、寄生电容、电压偏置电路或反馈电阻等吸收接收信号从而导致信号衰减的问题。
第一方面,本申请提供一种信号接收放大电路,包括信号接收器、电压设置器和运算放大电路,信号接收器的输出端与运算放大电路电连接,电压设置器与信号接收器电连接,电压设置器配置有闭合状态和断开状态;
电压设置器,用于在处于闭合状态时,吸收信号接收器输出的交流电压信号,以设置信号接收器的静态直流电压与运算放大电路的参考电压一致;
信号接收器,用于接收外界信号,并将外界信号转换为交流电压信号,且在电压设置器处于断开状态时,将交流电压信号与静态直流电压叠加,得到输出信号输出至运算放大电路;
运算放大电路,用于对输出信号与参考电压两者的差进行放大,得到放大信号。
在本申请一种可能的实现方式中,信号接收放大电路需输出放大信号时,电压设置器由闭合状态切换为断开状态,以断开与信号接收器之间的电连接。
在本申请一种可能的实现方式中,电压设置器为开关器件。
在本申请一种可能的实现方式中,电压设置器电连接有电压源,电压源与运算放大电路电连接,电压设置器具体用于在处于闭合状态时,吸收信号接收器输出的交流电压信号,以设置静态直流电压与电压源的输出电压一致,电压源用于为运算放大电路提供参考电压。
在本申请一种可能的实现方式中,运算放大电路包括第一运算放大器和第二运算放大器,第一运算放大器的同相输入端电连接信号接收器的输出端,第一运算放大器的反相输入端电连接第一运算放大器的输出端,且同时电连接第二运算放大器的反相输入端,第二运算放大器的反相输入端电连接第二运算放大器的输出端,第二运算放大器的同相输入端电连接电压源。
在本申请一种可能的实现方式中,运算放大电路为多通道运算放大器,多通道运算放大器包括第一运放模块和第二运放模块,第一运放模块配置有第一运放通道,第二运放模块配置有第二运放通道,第一运放模块和第一运放通道组成第一运算放大器,第二运放模块和第二运放通道组成第二运算放大器。
在本申请一种可能的实现方式中,信号接收放大电路还包括第一电阻和第二电阻,第一电阻一端电连接第一运算放大器的输出端,另一端电连接第二运算放大器的反相输入端,第二电阻一端电连接第二运算放大器的反相输入端,另一端电连接第二运算放大器的输出端。
在本申请一种可能的实现方式中,信号接收器为压电器件,外界信号为机械振动,压电器件用于将机械振动转换为交流电压信号。
在本申请一种可能的实现方式中,电压源为直流电压源。
第二方面,本申请还提供一种传感器,该传感器中集成有第一方面的信号接收放大电路。
1、本申请中,信号接收器的输出端与运算放大电路电连接,信号接收器将外界信号转换为交流电压信号后,将该交流电压信号输出至运算放大电路,而在电压设置器处于闭合状态时,电压设置器可以吸收信号接收器输出的交流电压信号,便可以通过电压设置器设置信号接收器的静态直流电压和运算放大电路的参考电压一致,即信号接收器的静态直流电压和运算放大电路的参考电压相等,则当电压设置器切换为断开状态时,流向运算放大电路的输出信号的直流分量与运算放大电路的参考电压两者大小相同,而由于信号接收器的输出信号为静态直流电压与交流电压信号两者的叠加信号,因此,运算放大电路对输出信号与参考电压两者的差进行放大,即是对信号接收器所转换得到的交流电压信号直接进行放大,避免了其他电子器件构成负载吸收信号,造成信号衰减的问题,相较于传统级联运算放大电路中的隔直电容、寄生电容、电压偏置电路或反馈电阻等电子器件导致信号衰减来说,本申请通过电压设置器直接设置信号接收器的静态直流电压,可以避免传统级联运算放大电路中的电子器件构成负载造成信号衰减,确保了运算放大电路的放大效果,提高了放大增益。
2、本申请中,运算放大电路为多通道运算放大器,由多通道运算放大器提供第一运算放大器和第二运算放大器,因此,第一运算放大器和第二运算放大器两者的偏置电压接近,可以起到相互补偿的作用,进而可以在不额外补偿偏置电压的情况下,对信号接收器的输出信号与参考电压的差进行放大,即是对交流电压信号进行放大,解决了运算放大电路自身偏置电压的问题,实现了对运算放大电路的偏置电压进行电压补偿,确保第二运算放大器工作在最佳工作点,进一步确保了运算放大电路的放大率,降低了放大信号中的噪声;并且本申请采用信号接收器、电压设置器和运算放大电路结合的电路来实现信号的接收放大,元器件少,成本更低,实现了低成本元器件搭建高精度高放大率低噪声的信号接收放大电路。
附图说明
为了更清楚地说明本申请中的技术方案,下面将对本申请描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例,对于本领域技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本申请实施例中提供的信号接收放大电路的一个电路原理示意图;
图2是本申请实施例中提供的距离测算系统的一个场景示意图。
具体实施方式
下面将结合本申请中的附图,对本申请中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例,本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本申请保护的范围。
在本申请的描述中,需要理解的是,术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本申请和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本申请的限制。此外,术语“第一”、“第二”仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此,限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个特征。在本申请的描述中,“多个”的含义是两个或两个以上,除非另有明确具体的限定。
在本申请中,“示例性”一词用来表示“用作例子、例证或说明”。本申请中被描述为“示例性”的任何实施例不一定被解释为比其它实施例更优选或更具优势。为了使本领域任何技术人员能够实现和使用本申请,给出了以下描述。在以下描述中,为了解释的目的而列出了细节。应当明白的是,本领域普通技术人员可以认识到,在不使用这些特定细节的情况下也可以实现本申请。在其它实例中,不会对公知的结构和过程进行详细阐述,以避免不必要的细节使本申请的描述变得晦涩。因此,本申请并非旨在限于所示的实施例,而是与符合本申请所公开的原理和特征的最广范围相一致。
本申请提供一种信号接收放大电路及传感器,以下分别进行详细说明。
请参阅图1,图1为本申请实施例中提供的信号接收放大电路的一个电路原理示意图,该信号接收放大电路可以包括信号接收器101、电压设置器102和运算放大电路103,信号接收器101的输出端与运算放大电路103电连接,电压设置器102与信号接收器101电连接,电压设置器102配置有闭合状态和断开状态;电压设置器102,用于在处于闭合状态时,吸收信号接收器输出的交流电压信号,以设置信号接收器101的静态直流电压与运算放大电路103的参考电压一致;信号接收器101,用于接收外界信号,并将外界信号转换为交流电压信号,且在电压设置器处于断开状态时,将交流电压信号与静态直流电压叠加,得到输出信号输出至运算放大电路103;运算放大电路103,用于对输出信号与参考电压两者的差进行放大,得到放大信号。
本申请实施例中,以接收40KHz的超声波信号为例,来进行示例性说明,信号接收器101可以选用现有的任一压电器件,如石英晶体压电器件、陶瓷压电器件等,当外界振动频率接近压电器件的固有频率时,压电器件依据其自身材料的压电效应便可以将该外界振动转换为电信号,因此,本申请实施例中,外界信号可以是机械振动,压电器件可以将该机械振动转换为交流电压信号输出到运算放大电路103。
本申请实施例中,电压设置器102可以配置有闭合状态和断开状态,在电压设置器102处于闭合状态时,电压设置器102吸收信号接收器101输出的交流电压信号,以设置信号接收器101的静态直流电压与运算放大电路103的参考电压一致,即电压设置器102在处于闭合状态时,由于电压设置器102吸收了信号接收器101输出的交流电压信号,本实施例的信号接收放大电路无放大信号输出,此时,电压设置器102设置信号接收器101的直流电位即静态直流电压和运算放大电路103的参考电压两者相等。
而当电压设置器102处于断开状态时,即电压设置器102断开与信号接收器101之间的电连接,信号接收器101输出的交流电压信号便可以与静态直流电压叠加,得到信号接收器101的输出信号,并且该输出信号输出至运算放大电路103。
本申请实施例中,信号接收器101的输出端与运算放大电路103电连接,信号接收器101将外界信号转换为交流电压信号后,将该交流电压信号输出至运算放大电路103,而在电压设置器102处于闭合状态时,电压设置器102可以吸收信号接收器输出的交流电压信号,便可以通过电压设置器102设置信号接收器101的静态直流电压和运算放大电路103的参考电压一致,即信号接收器101的静态直流电压和运算放大电路103的参考电压相等,则当电压设置器切换为断开状态时,流向运算放大电路103的输出信号的直流分量与运算放大电路103的参考电压两者大小相同,而由于信号接收器101的输出信号为静态直流电压与交流电压信号两者的叠加信号,因此,运算放大电路103对输出信号与参考电压两者的差进行放大,即是对信号接收器101所转换得到的交流电压信号直接进行放大,避免了其他电子器件构成负载吸收信号,造成信号衰减的问题,相较于传统级联运算放大电路中的隔直电容、寄生电容、电压偏置电路或反馈电阻等电子器件导致信号衰减来说,本申请实施例通过电压设置器102直接设置信号接收器101的静态直流电压,可以避免传统级联运算放大电路中的电子器件构成负载造成信号衰减,确保了运算放大电路103的放大效果,提高了放大增益。
在本申请一些实施例中,在信号接收放大电路需要输出放大信号时,该电压设置器102由闭合状态切换为断开状态,以断开与信号接收器101之间的电连接,即在信号接收放大电路需要输出放大信号时,电压设置器102与信号接收器101之间开路。
因此,本申请实施例中的电压设置器102可以是如数控开关器件类的开关器件,该开关器件可以在闭合状态时,吸收信号接收器101输出的交流电压信号,将信号接收器101的静态直流电压设置为与运算放大电路103的参考电压相同,并在信号接收放大电路需要输出放大信号时,断开与信号接收器101之间的电连接,这样便可以实现流向运算放大电路103的输出信号中的静态直流电压与运算放大电路103的参考电压两者大小相同,使得运算放大电路103对交流电压信号进行放大,避免了信号接收器101输出的输出信号的衰减。本申请实施例中,电压设置器102可以采用输入电容小,且栅极电容小的数控开关器件,优选的,可以是型号如CD4051的模拟开关芯片,也可以是型号如TRA3的微型继电器。
请继续参阅图1,在本申请一些实施例中,电压设置器102还可以电连接有电压源104,该电压源104与运算放大电路103电连接,该电压设置器102用于在处于闭合状态时,吸收信号接收器101输出的交流电压信号,以设置静态直流电压与电压源104的输出电压一致,同时,电压源104还可以用于为运算放大电路103提供参考电压,以确保信号接收器101的静态直流电压和运算放大电路103的参考电压两者相同,具体的,该电压源104可以是直流电压源,信号接收器101的静态直流电压和运算放大电路103的参考电压两者均与该直流电压源的输出电压相同。
在本申请一些实施例中,运算放大电路103可以包括第一运算放大器1031和第二运算放大器1032,第一运算放大器1031的同相输入端电连接信号接收器101的输出端,第一运算放大器1031的反相输入端电连接第一运算放大器1031的输出端,且同时电连接第二运算放大器1032的反相输入端,第二运算放大器1032的反相输入端电连接第二运算放大器1032的输出端,第二运算放大器1032的同相输入端电连接电压源104,则在信号接收器101接收超声波信号时,第二运算放大器1032的参考电压同样还是电压源104的输出电压。
本申请实施例中,运算放大电路103采用多通道运算放大器,例如,双通道运算放大器,其型号如“TLV9002”;4通道运算放大器,如LM324系列器件;8通道运算放大器,其型号如“SGM5348-10”等,本申请实施例中,该运算放大电路103可以对输出信号与参考电压的差,也就是交流电压信号进行放大,得到放大信号输出。
该多通道运算放大器可以包括第一运放模块和第二运放模块,第一运放模块配置有第一运放通道,第二运放模块配置有第二运放通道,第一运放模块和第一运放通道组成第一运算放大器1031,第二运放模块和第二运放通道组成第二运算放大器1032。由多通道运算放大器来提供第一运算放大器1031和第二运算放大器1032,根据多通道运算放大器的工作原理,同一个芯片上的不同运放通道,其运放偏移电压非常接近,这是由集成电路制作方法决定的晶圆上邻近元器件偏移一致的规律。因此,第一运算放大器1031和第二运算放大器1032两者的偏移电压一致,假设为Voff,则信号接收器101输出的静态直流电压(如Vref)经第一运算放大器1031先偏置到Vref+Voff,然后再经第二运算放大器1032偏置到Vref+Voff-Voff=Vref,因此,本申请实施例中,运算放大电路103采用多通道运算放大器来提供偏移电压一致的第一运算放大器1031和第二运算放大器1032,便可以解决运算放大电路103自身偏置电压的问题,实现了对运算放大电路的偏置电压进行电压补偿,确保第二运算放大器1032工作在最佳工作点,进一步确保了第二运算放大器1032的放大率,降低了放大信号中的噪声,并且无需使用价格昂贵的低偏置电压的高精密运放,降低了电路成本。
在本申请一些实施例中,信号接收放大电路还可以包括第一电阻105和第二电阻106,第一电阻105一端电连接第一运算放大器1031的输出端,另一端电连接第二运算放大器1032的反相输入端,第二电阻106一端电连接第二运算放大器1032的反相输入端,另一端电连接第二运算放大器1032的输出端。本申请实施例中,通过第一电阻105能够有效防止出现第一运算放大器1031的输出短路的情况;通过第二电阻106能够限制第二运算放大器1032的放大倍数,避免其进入锁死状态,由于第二运算放大器1032的输出端的任意电压都会被第二电阻106以一定的返回系数送回第二运算放大器1032的输入端与输入信号进行相减处理,这样,当输入信号为小信号时,反馈回来的信号也是小的,因此,对输入信号的影响较小,同时,输入信号即交流电压信号也可以以第二运算放大器1032的最大放大倍数输出,因此,第二电阻106能够稳定第二运算放大器1032的工作点,避免其进入截止或饱和导通的非法工作状态。
本申请实施例中,电压设置器102处于闭合状态时,,电压设置器102将信号接收器101的静态直流电压和第一运算放大器1031的参考电压两者均设置为电压源104的输出电压,第二运算放大器1032的同相输入端与电压源104电连接,则其参考电压同样为电压源的输出电压,当信号接收放大电路需要输出放大信号时,电压设置器102由闭合状态切换为断开状态,即断开与信号接收器101的连接,信号接收器101将外界信号即机械振动,转换为交流电压信号,且信号接收器101的静态直流电压与电压源104的输出电压(如Vref)相等,由于运算放大电路103采用多通道运算放大器,则第一运算放大器1031和第二运算放大器1032两者的偏移电压相等,假设均为Voff,因此,根据上述实施例中的推导,信号接收器101输出的静态直流电压Vref经第一运算放大器1031先偏置到Vref+Voff,然后再经第二运算放大器1032偏置到Vref+Voff-Voff=Vref,如此,便解决了运算放大电路103的自身偏置电压的问题,实现了运算放大电路103的偏置电压补偿,信号接收器101的交流电压信号经第一运算放大器1031电压跟随后,再经第二运算放大器1032放大,便得到放大信号输出。
本申请实施例中,由于信号接收器101的输出端只与第一运算放大器1031的同相输入端连接,属于单端输入,因此,通过信号接收器101的压电材料电容耦合效应转换的为交流电压信号,不存在直流分量,所以可以采用电压设置器102对其静态直流电压进行设置,又由于单端输入信号,导致其对偏置电压敏感,因此,通过电压设置器102设置静态直流电压与运算放大电路103的参考电压一致,以及运算放大电路103采用多通道运算放大器,由多通道运算放大器来提供第一运算放大器1031和第二运算放大器1032,由于第一运算放大器1031和第二运算放大器1032两者的偏置电压接近,可以起到相互补偿的作用,进而可以在不额外补偿偏置电压的情况下,解决运算放大电路自身偏置电压的问题,相较于传统级联运算放大电路来说,采用的元器件更少,电路成本更低,并且由于传统级联运算放大电路为逐级放大,会累次引入噪声,很容易干扰、破坏甚至淹没微小的原始信号,本申请实施例实现了采用信号接收器101、电压设置器102和运算放大电路103等低成本元器件搭建高精度高放大率低噪声的信号接收放大电路。
如图2所示,为本申请实施例中提供的距离测算系统的一个场景示意图。在上述实施例的基础之上,本申请还提供一种传感器201,该传感器201中集成有上述任一实施例所描述的信号接收放大电路,该传感器201可以设置于倒车雷达202上,并且该倒车雷达202位于距离测算系统,距离测算系统还可以包括与传感器201通信连接的距离测算装置203,距离测算装置203配置有现有的任一适用于超声波测距的距离测算方法,以使得该距离测算装置203可以根据传感器201的输出信号计算倒车车距,以提醒用户当前车辆距离目标物的距离。
在上述实施例中,对各个实施例的描述都各有侧重,某个实施例中没有详述的部分,可以参见上文针对其他实施例的详细描述,此处不再赘述。
具体实施时,以上各个单元或结构可以作为独立的实体来实现,也可以进行任意组合,作为同一或若干个实体来实现,以上各个单元或结构的具体实施可参见前面的实施例,在此不再赘述。
以上对本申请所提供的一种信号接收放大电路及传感器进行了详细介绍,本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述,以上说明只是用于帮助理解本申请的电路及其核心思想;同时,对于本领域的技术人员,依据本申请的思想,在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处,综上,本说明书内容不应理解为对本申请的限制。

Claims (10)

1.一种信号接收放大电路,其特征在于,包括信号接收器、电压设置器和运算放大电路,所述信号接收器的输出端与所述运算放大电路电连接,所述电压设置器与所述信号接收器电连接,所述电压设置器配置有闭合状态和断开状态;
所述电压设置器,用于在处于所述闭合状态时,吸收所述信号接收器输出的交流电压信号,以设置所述信号接收器的静态直流电压与所述运算放大电路的参考电压一致;
所述信号接收器,用于接收外界信号,并将所述外界信号转换为所述交流电压信号,且在所述电压设置器处于所述断开状态时,将所述交流电压信号与所述静态直流电压叠加,得到输出信号输出至所述运算放大电路;
所述运算放大电路,用于对所述输出信号与所述参考电压两者的差进行放大,得到放大信号。
2.根据权利要求1所述的信号接收放大电路,其特征在于,所述信号接收放大电路需输出所述放大信号时,所述电压设置器由所述闭合状态切换为所述断开状态,以断开与所述信号接收器之间的电连接。
3.根据权利要求1所述的信号接收放大电路,其特征在于,所述电压设置器为开关器件。
4.根据权利要求1所述的信号接收放大电路,其特征在于,所述电压设置器电连接有电压源,所述电压源与所述运算放大电路电连接,所述电压设置器具体用于在处于所述闭合状态时,吸收所述信号接收器输出的所述交流电压信号,以设置所述静态直流电压与所述电压源的输出电压一致,所述电压源用于为所述运算放大电路提供所述参考电压。
5.根据权利要求4所述的信号接收放大电路,其特征在于,所述运算放大电路包括第一运算放大器和第二运算放大器,所述第一运算放大器的同相输入端电连接所述信号接收器的输出端,所述第一运算放大器的反相输入端电连接所述第一运算放大器的输出端,且同时电连接所述第二运算放大器的反相输入端,所述第二运算放大器的反相输入端电连接所述第二运算放大器的输出端,所述第二运算放大器的同相输入端电连接所述电压源。
6.根据权利要求5所述的信号接收放大电路,其特征在于,所述运算放大电路为多通道运算放大器,所述多通道运算放大器包括第一运放模块和第二运放模块,所述第一运放模块配置有第一运放通道,所述第二运放模块配置有第二运放通道,所述第一运放模块和所述第一运放通道组成所述第一运算放大器,所述第二运放模块和所述第二运放通道组成所述第二运算放大器。
7.根据权利要求1所述的信号接收放大电路,其特征在于,所述信号接收器为压电器件,所述外界信号为机械振动,所述压电器件用于将所述机械振动转换为所述交流电压信号。
8.根据权利要求5所述的信号接收放大电路,其特征在于,所述信号接收放大电路还包括第一电阻和第二电阻,所述第一电阻一端电连接所述第一运算放大器的输出端,另一端电连接所述第二运算放大器的反相输入端,所述第二电阻一端电连接所述第二运算放大器的反相输入端,另一端电连接所述第二运算放大器的输出端。
9.根据权利要求4所述的信号接收放大电路,其特征在于,所述电压源为直流电压源。
10.一种传感器,其特征在于,所述传感器中集成有权利要求1-9任一项所述的信号接收放大电路。
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