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第21章 觸發(fā)器和時(shí)序邏輯電路,21.1 雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器,21.2 寄存器,21.3 計(jì)數(shù)器,22.6 應(yīng)用舉例,22.5 555定時(shí)器及其應(yīng)用,22.4 時(shí)序邏輯電路的分析,本章要求,1. 掌握 RS、JK、D 觸發(fā)器的邏輯功能及 不同結(jié)構(gòu)觸發(fā)器的動(dòng)作特點(diǎn)。 2. 掌握寄存器、移位寄存器、二進(jìn)制計(jì)數(shù)器、 十進(jìn)制計(jì)數(shù)器的邏輯功能,會(huì)分析時(shí)序邏輯 電路。 3. 學(xué)會(huì)使用本章所介紹的各種集成電路。 4. 了解集成定時(shí)器及由它組成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器 和多諧振蕩器的工作原理。,第21章 觸發(fā)器和時(shí)序邏輯電路,電路的輸出狀態(tài)不僅取決于當(dāng)時(shí)的輸入信號(hào),而且與電路原來(lái)的狀態(tài)有關(guān),當(dāng)輸入信號(hào)消失后,電路狀態(tài)仍維持不變。這種具有存貯記憶功能的電路稱為時(shí)序邏輯電路。,時(shí)序邏輯電路的特點(diǎn):,下面介紹雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器,它是構(gòu)成時(shí)序電路的基本邏輯單元。,21.1 雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器,21.1.2 主從JK 觸發(fā)器,21.1.3 維持阻塞D 觸發(fā)器,21.1.4 觸發(fā)器邏輯功能轉(zhuǎn)換,21.1.1 RS 觸發(fā)器,21.1 雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器,特點(diǎn): 1、有兩個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)“0”態(tài)和“1”態(tài); 2、能根據(jù)輸入信號(hào)將觸發(fā)器置成“0”或“1”態(tài); 3、輸入信號(hào)消失后,被置成的“0”或“1”態(tài)能 保存下來(lái),即具有記憶功能。,雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器: 是一種具有記憶功能的邏輯單元電路,它能儲(chǔ)存一位二進(jìn)制碼。,21.1.1 RS 觸發(fā)器,兩互補(bǔ)輸出端,1. 基本 RS 觸發(fā)器,兩輸入端,反饋線,觸發(fā)器輸出與輸入的邏輯關(guān)系,設(shè)觸發(fā)器原態(tài)為“1”態(tài)。,1,0,1,0,設(shè)原態(tài)為“0”態(tài),1,1,0,觸發(fā)器保持“0”態(tài)不變,復(fù)位,0,設(shè)原態(tài)為“0”態(tài),1,1,0,0,設(shè)原態(tài)為“1”態(tài),0,0,1,觸發(fā)器保持“1”態(tài)不變,置位,1,設(shè)原態(tài)為“0”態(tài),0,0,1,1,設(shè)原態(tài)為“1”態(tài),0,0,1,觸發(fā)器保持“1”態(tài)不變,1,1,0,若G1先翻轉(zhuǎn),則觸發(fā)器為“0”態(tài),“1”態(tài),若先翻轉(zhuǎn),基本 RS 觸發(fā)器狀態(tài)表,邏輯符號(hào),2. 可控 RS 觸發(fā)器,基本R-S觸發(fā)器,導(dǎo)引電路,時(shí)鐘脈沖,當(dāng)C=0時(shí),0,R,S 輸入狀態(tài) 不起作用。 觸發(fā)器狀態(tài)不變,當(dāng) C = 1 時(shí),1,打開(kāi),觸發(fā)器狀態(tài)由R,S 輸入狀態(tài)決定。,打開(kāi),當(dāng) C = 1 時(shí),1,打開(kāi),(1) S=0, R=0,觸發(fā)器狀態(tài)由R,S 輸入狀態(tài)決定。,打開(kāi),1,1,0,(2) S = 0, R= 1,(3) S =1, R= 0,1,Q=1,Q=0,(4) S =1, R= 1,可控RS狀態(tài)表,C高電平時(shí)觸發(fā)器狀態(tài)由R、S確定,跳轉(zhuǎn),例:畫出可控 RS 觸發(fā)器的輸出波形,可控 RS狀態(tài)表,C高電平時(shí)觸發(fā)器狀態(tài)由R、S確定,存在問(wèn)題:,時(shí)鐘脈沖不能過(guò)寬,否則出現(xiàn)空翻現(xiàn)象,即在一個(gè)時(shí)鐘脈沖期間觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)一次以上。,克服辦法:采用 JK 觸發(fā)器或 D 觸發(fā)器,22.1.2 主從JK觸發(fā)器,1.電路結(jié)構(gòu),從觸發(fā)器,主觸發(fā)器,反饋線,2. 工作原理,F主打開(kāi),F主狀態(tài)由J、K決定,接收信號(hào)并暫存。,F從封鎖,F從狀態(tài)保持不變。,C,C,狀態(tài)保持不變。,從觸發(fā)器的狀態(tài)取決于主觸發(fā)器,并保持主、從狀態(tài)一致,因此稱之為主從觸發(fā)器。,F從打開(kāi),F主封鎖,C,C高電平時(shí)觸發(fā)器接收信號(hào)并暫存(即F主狀態(tài)由J、K決定,F(xiàn)從狀態(tài)保持不變)。,要求C高電平期間J、K的狀態(tài)保持不變。,C低電平時(shí),F主封鎖J、K不起作用,C,分析JK觸發(fā)器的邏輯功能,(1)J=1, K=1,設(shè)觸發(fā)器原態(tài)為“0”態(tài),主從狀態(tài)一致,C,(1)J=1,K=1,設(shè)觸發(fā)器原態(tài)為“1”態(tài),為“?”狀態(tài),J=1, K=1時(shí),每來(lái) 一個(gè)時(shí)鐘脈沖,狀 態(tài)翻轉(zhuǎn)一次,即具 有計(jì)數(shù)功能。,(1)J=1, K=1,跳轉(zhuǎn),C,(2)J=0,K=1,設(shè)觸發(fā)器原態(tài)為“1”態(tài),設(shè)觸發(fā)器原態(tài)為“0”態(tài),C,(3)J=1,K=0,設(shè)觸發(fā)器原態(tài)為“0”態(tài),設(shè)觸發(fā)器原態(tài)為“1”態(tài),C,(4)J=0,K=0,設(shè)觸發(fā)器原態(tài)為“0”態(tài),C,結(jié)論:,C高電平時(shí)F主狀態(tài)由J、K決定,F(xiàn)從狀態(tài)不變。,3. JK觸發(fā)器的邏輯功能,Qn,1,0 0,1 1,1 0,0,0 1,(保持功能),(置“0”功能),(置“1”功能),(計(jì)數(shù)功能),C下降沿觸發(fā)翻轉(zhuǎn),例:JK 觸發(fā)器工作波形,基本R-S觸發(fā)器,導(dǎo)引電路,21.1.3 維持阻塞 D 觸發(fā)器,1.電路結(jié)構(gòu),反饋線,跳轉(zhuǎn),21.1.3 維持阻塞 D 觸發(fā)器,2.邏輯功能,(1)D = 0,1,0,當(dāng)C = 0時(shí),0,當(dāng)C = 1時(shí),0,1,封鎖,在C = 1期間,觸發(fā)器保持“0”不變,21.1.3 維持阻塞 D 觸發(fā)器,2.邏輯功能,(1)D = 1,0,1,當(dāng)C = 0時(shí),1,當(dāng)C = 1時(shí),0,1,封鎖,在C = 1期間,觸發(fā)器保持“1”不變,封鎖,上升沿觸 發(fā)翻轉(zhuǎn),C上升沿前接收信號(hào),上降沿時(shí)觸發(fā)器翻轉(zhuǎn),( 其Q的狀態(tài)與D狀態(tài)一致;但Q的狀態(tài)總比D的狀態(tài)變化晚一步,即Qn+1 =Dn;上升沿后輸入 D不再起作用,觸發(fā)器狀態(tài)保持。 即(不會(huì)空翻),結(jié)論:,例:D 觸發(fā)器工作波形圖,21.1.4 觸發(fā)器邏輯功能的轉(zhuǎn)換,1. 將JK觸發(fā)器轉(zhuǎn)換為 D 觸發(fā)器,仍為下降沿 觸發(fā)翻轉(zhuǎn),2. 將JK觸發(fā)器轉(zhuǎn)換為 T 觸發(fā)器,當(dāng)J=K時(shí),兩觸發(fā)器狀態(tài)相同,3. 將 D 觸發(fā)器轉(zhuǎn)換為 T觸發(fā)器,觸發(fā)器僅具有計(jì)數(shù)功能,即要求來(lái)一個(gè)C, 觸發(fā)器就翻轉(zhuǎn)一次。,21.2 寄存器,寄存器是數(shù)字系統(tǒng)常用的邏輯部件,它用來(lái)存放數(shù)碼或指令等。它由觸發(fā)器和門電路組成。一個(gè)觸發(fā)器只能存放一位二進(jìn)制數(shù),存放 n 位二進(jìn)制時(shí),要 n個(gè)觸發(fā)器。,21.2.1 數(shù)碼寄存器,僅有寄存數(shù)碼的功能。,清零,寄存指令,通常由D觸發(fā)器或R-S觸發(fā)器組成,并行輸入方式,寄存數(shù)碼,觸發(fā)器狀態(tài)不變,動(dòng)畫,清零,寄存指令,并行輸出方式,&,&,&,&,Q,Q,Q,Q,狀態(tài)保持不變,21.2.2 移位寄存器,不僅能寄存數(shù)碼,還有移位的功能。,所謂移位,就是每來(lái)一個(gè)移位脈沖,寄存器中所寄存的數(shù)據(jù)就向左或向右順序移動(dòng)一位。,寄存數(shù)碼,1.單向移位寄存器,D,1011,1,Q,1011,1,0,1,1,J,K,F3,數(shù)據(jù)依次向左移動(dòng),稱左移寄存器,輸入方式為串行輸入。,Q,Q,Q,動(dòng)畫,再輸入四個(gè)移位脈沖,1011由高位至低位依次從Q3端輸出。,串行輸出方式,動(dòng)畫,左移寄存器波形圖,1,1,1,1,1,1,0,待存數(shù)據(jù),1011存入寄存器,從Q3取出,四位左移移位寄存器狀態(tài)表,1,2,3,1,0,1,并 行 輸 出,再繼續(xù)輸入四個(gè)移位脈沖,從 Q3端串行輸出1011數(shù)碼,動(dòng)畫,右移移位寄存器,串行輸出,2.并行、串行輸入/串行輸出寄存器,寄存器分類,并行輸入/并行輸出,串行輸入/并行輸出,并行輸入/串行輸出,串行輸入/串行輸出,3. 雙向移位寄存器:,既能左移也能右移。,&,.,RD,C,S,左移輸入,待輸數(shù)據(jù)由 低位至高 位依次輸入,待輸數(shù)據(jù)由高位至低位依次輸入,1,0,1,右移輸入,移位控制端,&,&,&,動(dòng)畫,右移串行輸入,左移串行輸入,21.3 計(jì)數(shù)器,計(jì)數(shù)器是數(shù)字電路和計(jì)算機(jī)中廣泛應(yīng)用的一種邏輯部件,可累計(jì)輸入脈沖的個(gè)數(shù),可用于定時(shí)、分頻、時(shí)序控制等。,21.3.1 二進(jìn)制計(jì)數(shù)器,按二進(jìn)制的規(guī)律累計(jì)脈沖個(gè)數(shù),它也是構(gòu)成其它進(jìn)制計(jì)數(shù)器的基礎(chǔ)。要構(gòu)成 n位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器,需用 n個(gè)具有計(jì)數(shù)功能的觸發(fā)器。,1. 異步二進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器,異步計(jì)數(shù)器:計(jì)數(shù)脈沖C不是同時(shí)加到各位觸發(fā)器。最低位觸發(fā)器由計(jì)數(shù)脈沖觸發(fā)翻轉(zhuǎn),其他各位觸發(fā)器有時(shí)需由相鄰低位觸發(fā)器輸出的進(jìn)位脈沖來(lái)觸發(fā),因此各位觸發(fā)器狀態(tài)變換的時(shí)間先后不一,只有在前級(jí)觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)后,后級(jí)觸發(fā)器才能翻轉(zhuǎn)。,二 進(jìn) 制 數(shù) Q2 Q1 Q0,0 0 0 0 1 0 0 1 2 0 1 0 3 0 1 1 4 1 0 0 5 1 0 1 6 1 1 0 7 1 1 1 8 0 0 0,脈沖數(shù) (C),二進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器狀態(tài)表,從狀態(tài)表可看出: 最低位觸發(fā)器來(lái) 一個(gè)脈沖就翻轉(zhuǎn) 一次,每個(gè)觸發(fā) 器由 1變?yōu)?0 時(shí), 要產(chǎn)生進(jìn)位信號(hào), 這個(gè)進(jìn)位信號(hào)應(yīng) 使相鄰的高位觸 發(fā)器翻轉(zhuǎn)。,當(dāng)J、K=1時(shí),具有計(jì)數(shù)功能,每來(lái)一個(gè)脈沖觸發(fā)器就翻轉(zhuǎn)一次.,三位異步二進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器,在電路圖中J、懸空表示J、K=1,下降沿 觸發(fā)翻轉(zhuǎn),當(dāng)相鄰低位觸發(fā)器由1變 0 時(shí)翻轉(zhuǎn),異步二進(jìn)制加法器工作波形,每個(gè)觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)的時(shí)間有先后,與計(jì)數(shù)脈沖不同步,用D觸發(fā)器構(gòu)成三位二進(jìn)制異步加法器,2、若構(gòu)成減法計(jì)數(shù)器C又如何連接?,思考,1、各觸發(fā)器C應(yīng)如何連接?,各D觸發(fā)器已接成T觸發(fā)器,即具有計(jì)數(shù)功能,2. 同步二進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器,異步二進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器線路聯(lián)接簡(jiǎn)單。 各觸發(fā)器是逐級(jí)翻轉(zhuǎn),因而工作速度較慢。,同步計(jì)數(shù)器:計(jì)數(shù)脈沖同時(shí)接到各位觸發(fā)器,各觸發(fā)器狀態(tài)的變換與計(jì)數(shù)脈沖同步。,同步計(jì)數(shù)器由于各觸發(fā)器同步翻轉(zhuǎn),因此工作速度快。但接線較復(fù)雜。,二 進(jìn) 制 數(shù) Q2 Q1 Q0,0 0 0 0 1 0 0 1 2 0 1 0 3 0 1 1 4 1 0 0 5 1 0 1 6 1 1 0 7 1 1 1 8 0 0 0,脈沖數(shù) (C),二進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器狀態(tài)表,最低位觸發(fā)器F0每來(lái)一個(gè)脈沖就翻轉(zhuǎn)一次;,F1:當(dāng)Q0=1時(shí),再來(lái)一個(gè)脈沖則翻轉(zhuǎn)一次;,F2:當(dāng)Q0=Q1= 1時(shí),再來(lái)一個(gè)脈沖則翻轉(zhuǎn)一次。,四位二進(jìn)制同步加法計(jì)數(shù)器級(jí)間連接的邏輯關(guān)系,觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)條件,J、K端邏輯表達(dá)式,J、K端邏輯表達(dá)式,F0,每輸入一C翻一次,F1,F2,F3,J0 =K0 =1,Q0 =1,J1 =K1 = Q0,Q0 = Q1 = 1,J2 =K2 = Q1 Q0,Q0 = Q1 = Q2 = 1,J3 =K3= Q1 Q1 Q0,由J、K端邏輯表達(dá)式,可得出四位同步二進(jìn)制計(jì)數(shù)器的邏輯電路。(只畫出三位同步二進(jìn)制計(jì)數(shù)器的邏輯電路),(加法),(減法),三位同步二進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器,計(jì)數(shù)脈沖同時(shí)加到各位觸發(fā)器上,當(dāng)每個(gè)到 來(lái)后觸發(fā)器狀態(tài)是否改變要看J、K的狀態(tài)。,各觸發(fā)器狀態(tài)的變換和計(jì)數(shù)脈沖同步,例:分析圖示邏輯電路的邏輯功能,說(shuō)明其用處。 設(shè)初始狀態(tài)為“000”。,解:1. 寫出各觸發(fā)器 J、K端和C端的邏輯表達(dá)式,解:當(dāng)初始狀態(tài)為“000”時(shí), 各觸發(fā)器J、K端和C端的電平為,由表可知,經(jīng)5個(gè)脈沖循環(huán)一次,為五進(jìn)制計(jì)數(shù)器。,2.列寫狀態(tài)轉(zhuǎn)換表,分析其狀態(tài)轉(zhuǎn)換過(guò)程,C1= Q0,由于計(jì)數(shù)脈沖沒(méi)有同時(shí)加到各位觸發(fā)器上,所以為異步計(jì)數(shù)器。,異步五進(jìn)制計(jì)數(shù)器工作波形,21.3.2 十進(jìn)制計(jì)數(shù)器,十進(jìn)制計(jì)數(shù)器: 計(jì)數(shù)規(guī)律:“逢十進(jìn)一”。它是用四位二進(jìn)制數(shù)表示對(duì)應(yīng)的十進(jìn)制數(shù),所以又稱為二-十進(jìn)制計(jì)數(shù)器。,四位二進(jìn)制可以表示十六種狀態(tài),為了表示十進(jìn)制數(shù)的十個(gè)狀態(tài),需要去掉六種狀態(tài),具體去掉哪六種狀態(tài),有不同的安排,這里僅介紹廣泛使用 8421編碼的十進(jìn)制計(jì)數(shù)器。,十進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器狀態(tài)表,十進(jìn)制同步加法計(jì)數(shù)器,十進(jìn)制計(jì)數(shù)器工作波形,21.3.3 中規(guī)模數(shù)字集成電路計(jì)數(shù)器,1. CT74LS290(T1290)二-五-十進(jìn)制集成計(jì)數(shù)器,邏輯功能及外引線排列,(1) R01 、 R02 : 置“0”輸入端,邏輯功能,邏輯功能及外引線排列,(1) S91 、 S92 : 置“9”輸入端,邏輯功能,邏輯功能及外引線排列,計(jì)數(shù)功能,0,0,0,0,1,1,0,0,1,1,CT74LS290 功能表,輸 入,輸 出,Q2,Q3,Q1,Q0,1,1,0,1,1,0,1,1,R01,S92,S91,R02,有任一為“0”,有任一為“0”,計(jì)數(shù),置9,8421異步十進(jìn)制計(jì)數(shù)器,計(jì)數(shù)狀態(tài),2. CT74LS290的應(yīng)用,5421異步十進(jìn)制計(jì)數(shù)器,工作波形,異步五進(jìn)制計(jì)數(shù)器,工作波形,如何構(gòu)成 N進(jìn)制計(jì)數(shù)器,反饋置“0”法:當(dāng)滿足一定的條件時(shí),利用計(jì)數(shù)器的復(fù)位端強(qiáng)迫計(jì)數(shù)器清零,重新開(kāi)始新一輪計(jì)數(shù)。 利用反饋置“0”法可用已有的計(jì)數(shù)器得出小于原進(jìn)制的計(jì)數(shù)器。 例:用一片CT74LS290可構(gòu)成十進(jìn)制計(jì)數(shù)器,如將十進(jìn)制計(jì)數(shù)器適當(dāng)改接,利用其清零端進(jìn)行反饋清零,則可得出十以內(nèi)的任意進(jìn)制計(jì)數(shù)器。,用一片CT74LS290構(gòu)成十以內(nèi)的任意進(jìn)制計(jì)數(shù)器,例:六進(jìn)制計(jì)數(shù)器,例:六進(jìn)制計(jì)數(shù)器,當(dāng)狀態(tài) 0110(6)出現(xiàn)時(shí),將 Q2=1,Q1=1 送到復(fù)位端 R01和R02,使計(jì)數(shù)器立即清零。狀態(tài) 0110僅瞬間存在。,CT74LS290為異步 清零的計(jì)數(shù)器,反饋置“0”實(shí)現(xiàn)方法:,六進(jìn)制計(jì)數(shù)器,S92,S91,Q3,Q0,Q2,Q1,R01,R02,C1,C0,計(jì)數(shù)脈沖,計(jì)數(shù)器清零,七進(jìn)制計(jì)數(shù)器,當(dāng)出現(xiàn) 0110(6)時(shí),應(yīng)立即使計(jì)數(shù)器清零,重新開(kāi)始新一輪計(jì)數(shù)。,當(dāng)出現(xiàn) 0111(7)時(shí),計(jì)數(shù)器立即清零,重新開(kāi)始新一輪計(jì)數(shù)。,計(jì)數(shù)器清零,二片CT74LS290可構(gòu)成100以內(nèi)的計(jì)數(shù)器,例:二十四進(jìn)制計(jì)數(shù)器,0010(2),0100(4),十位,個(gè)位,兩位十進(jìn)制計(jì)數(shù)器(100進(jìn)制),有兩個(gè)二-五-十進(jìn)制計(jì)數(shù)器, 高電平清零,十位 0100(4),個(gè)位 0110(6),計(jì)數(shù)脈沖,十位,個(gè)位,兩位十進(jìn)制計(jì)數(shù)器(100進(jìn)制),例:用一片TC74LS390構(gòu)成四十六進(jìn)制計(jì)數(shù)器,CT74LS192外引線排列圖,CT74LS192功能表,十進(jìn)制同步加 / 減計(jì)數(shù)器,21.3.4 環(huán)行計(jì)數(shù)器,工作原理:,先將計(jì)數(shù)器置為Q3 Q2 Q1 Q0=1000,而后每來(lái)一個(gè)C,其各觸發(fā)器狀態(tài)依次右移一位。,即:,環(huán)行計(jì)數(shù)器工作波形,環(huán)行計(jì)數(shù)器可作為順序脈沖發(fā)生器。,21.3.5 環(huán)行分配器,環(huán)行分配器工作波形,可產(chǎn)生相移為 的順序脈沖。,21.4 555定時(shí)器及其應(yīng)用,555定時(shí)器是一種將模擬電路和數(shù)字電路集成于一體的電子器件。用它可以構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、多諧振蕩器和施密特觸發(fā)器等多種電路。 555定時(shí)器在工業(yè)控制、定時(shí)、檢測(cè)、報(bào)警等方面有廣泛應(yīng)用。,21.4.1 555定時(shí)器的結(jié)構(gòu)及工作原理,1.分壓器:由三個(gè)等值電阻構(gòu)成,2.比較器:由電壓比較器C1和C2構(gòu)成,3.R-S觸發(fā)器,4.放電開(kāi)關(guān)管T,VA,VB,輸出端,電壓控制端,高電平觸發(fā)端,低電平觸發(fā)端,放電端,復(fù)位端,UCC,分壓器,比較器,R-S觸發(fā)器,放電管,調(diào)轉(zhuǎn),地,比較結(jié)果,1/3 UCC,不允許,2/3 UCC,綜上所述,555功能表為:,1. 由555定時(shí)器組成的多諧振蕩器,多諧振蕩器是一種無(wú)穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器,接通電源后,不需外加觸發(fā)信號(hào),就能產(chǎn)生矩形波輸出。由于矩形波中含有豐富的諧波,故稱為多諧振蕩器。,多諧振蕩器是一種常用的脈沖波形發(fā)生器,觸發(fā)器和時(shí)序電路中的時(shí)鐘脈沖一般是由多諧振蕩器產(chǎn)生的。,21.4.2 定時(shí)器電路的應(yīng)用,1. 由555定時(shí)器組成的多諧振蕩器,接通電源,通電前 uC=0,1,2/3 UCC,C充電,C放電,1,1/3 UCC,接通電源,C充電,C放電,例:多諧振蕩器構(gòu)成水位監(jiān)控
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