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1、1. 1. 重要性重要性 電壓測(cè)量是許多電測(cè)量與非電測(cè)量的基礎(chǔ) 是電量測(cè)量中最基本、最常見的一種測(cè)量 電壓測(cè)量也是非電量測(cè)量的基礎(chǔ)第1頁(yè)/共68頁(yè)2. 2. 特點(diǎn)特點(diǎn)(1) 頻率范圍廣(2) 測(cè)量范圍寬(3) 電壓波形的多樣化(4) 阻抗匹配(5) 測(cè)量精度(6) 測(cè)量速度(7) 抗干擾性能第2頁(yè)/共68頁(yè)電壓測(cè)量的方法和分類電壓測(cè)量的方法和分類按對(duì)象:直流電壓測(cè)量和交流電壓測(cè)量按技術(shù):模擬測(cè)量和數(shù)字測(cè)量第3頁(yè)/共68頁(yè)5.2 5.2 電壓標(biāo)準(zhǔn)電壓標(biāo)準(zhǔn) 直流電壓標(biāo)準(zhǔn) 電壓和電阻是電磁學(xué)中的兩個(gè)基本量 電壓基準(zhǔn)和電阻基準(zhǔn)其他電磁量基準(zhǔn)第4頁(yè)/共68頁(yè)第5頁(yè)/共68頁(yè)1. 標(biāo)準(zhǔn)電池原理:利用化學(xué)反
2、應(yīng)產(chǎn)生穩(wěn)定可靠的電動(dòng)勢(shì) (1.01860V)。有飽和型和不飽和型兩種類型。23204639.94(20)0.929(20)0.0092(20)0.00006(20) 10( )tEEttttV(5-1)第6頁(yè)/共68頁(yè)2. 2. 齊納二極管電壓標(biāo)準(zhǔn)齊納二極管電壓標(biāo)準(zhǔn) 利用齊納二極管的穩(wěn)壓特性制作的電子式電壓標(biāo)準(zhǔn)(也稱為固態(tài)電壓標(biāo)準(zhǔn)) 齊納管的穩(wěn)壓特性仍然存在受溫度漂移的影響,采用高穩(wěn)定電源和內(nèi)部恒溫控制電路可使其溫度系數(shù)非常小 將齊納管與恒溫控制電路集成在一起的精密電壓基準(zhǔn)源,如LM199/299/399、REF系列第7頁(yè)/共68頁(yè)Brian Josephson(1940-)第8頁(yè)/共68頁(yè)圖
3、圖5-1 雙測(cè)熱電阻電橋的原理圖雙測(cè)熱電阻電橋的原理圖高高頻頻電電壓壓V0V1RFDCDCRFR RGR RR RR RT TR RT TC CC CVRF第9頁(yè)/共68頁(yè)5.3 5.3 交流電壓的測(cè)量交流電壓的測(cè)量 表征交流電壓的基本參量 峰值 平均值 有效值 波峰因數(shù)和波形因數(shù)第10頁(yè)/共68頁(yè)峰值 以零電平為參考的最大電壓幅值(用Vp表示 )注:以直流分量為參考的最大電壓幅值則稱為振幅,(通常用Um表示)t tu(t)Vp0UmTU圖5-2 交流電壓的峰值第11頁(yè)/共68頁(yè) 均值 數(shù)學(xué)上定義為: 相當(dāng)于交流電壓u(t)的直流分量。 交流電壓測(cè)量中,平均值通常指經(jīng)過全波或半波整流后的波形(
4、一般若無特指,均為全波整流): 對(duì)理想的正弦交流電壓u(t)=Vpsin(t),若=2/T 01( )TUu t dtT01( )TUu t dtT20.637ppUVV(5-6)(5-7)(5-8)第12頁(yè)/共68頁(yè) 有效值 交流電壓u(t)在一個(gè)周期T內(nèi),通過某純電阻負(fù)載R所產(chǎn)生的熱量,與一個(gè)直流電壓V在同一負(fù)載上產(chǎn)生的熱量相等時(shí),則該直流電壓V的數(shù)值就表示了交流電壓u(t)的有效值。 意義:有效值在數(shù)學(xué)上即為均方根值。有效值反映了交流電壓的功率,是表征交流電壓的重要參量。 對(duì)理想的正弦交流電壓u(t)=Vpsin(t),若=2/T10.7072ppVVV第13頁(yè)/共68頁(yè)波峰因數(shù)和波形因
5、數(shù) 波峰因數(shù)定義:峰值與有效值的比值,用Kp表示,21.41/2pppVKVppVKV峰值有效值FVKV有效值平均值(1/2)1.112/2 2pFpVKV()第14頁(yè)/共68頁(yè)常見波形的波峰因數(shù)和波形因數(shù)可查表得到:如正弦波:Kp=1.41,KF=1.11; 方波: Kp=1, KF=1; 三角波:Kp=1.73,KF=1.15; 鋸齒波:Kp=1.73,KF=1.15; 脈沖波:Kp= ,KF= , 為脈沖寬度,T為周期 白噪聲:Kp=3(較大),KF=1.25。TT第15頁(yè)/共68頁(yè)交流交流/ /直流轉(zhuǎn)換器的響應(yīng)特性及誤差分析直流轉(zhuǎn)換器的響應(yīng)特性及誤差分析 1. 交流/直流電壓(AC-D
6、C)轉(zhuǎn)換原理 模擬電壓表的交流電壓測(cè)量原理: 交流電壓-直流電流(有效值、峰值和平均值) -驅(qū)動(dòng)表頭-指示。 交流電壓-有效值、峰值和平均值的轉(zhuǎn)換,稱為 AC-DC轉(zhuǎn)換。由不同的檢波電路實(shí)現(xiàn)。第16頁(yè)/共68頁(yè)(1 1)峰值檢波原理)峰值檢波原理二極管峰值檢波電路(a.串聯(lián)式,b.并聯(lián)式,c.波形)DVpCRLu(t)CDRLu(t)VpabVPu(t)tc第17頁(yè)/共68頁(yè)I0u(t)D1D2D3D4CCu(t)D1D2I0圖5-4 平均值檢波原理圖(2 2)平均值檢波原理)平均值檢波原理第18頁(yè)/共68頁(yè)(3) 有效值檢波原理201( )TVu t dtT第19頁(yè)/共68頁(yè)1)利用二極管平
7、方律伏安特性檢波 利用小信號(hào)時(shí)二極管正向伏安特性曲線可近似為平方關(guān)系 缺點(diǎn):精度低且動(dòng)態(tài)范圍小 實(shí)際應(yīng)用中,采用分段逼近平方律的二極管伏安特性曲線圖的電路第20頁(yè)/共68頁(yè)2) 利用模擬運(yùn)算的集成電路檢波 2( )ut0TAu(t)Vrms圖5-5 計(jì)算式有效值變換實(shí)現(xiàn)框圖第21頁(yè)/共68頁(yè)3)利用熱電偶有效值檢波 熱電效應(yīng):兩種不同導(dǎo)體的兩端相互連接在一起,組成一個(gè)閉合回路,當(dāng)兩節(jié)點(diǎn)處溫度不同時(shí),回路中將產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì),從而形成電流,這一現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng),所產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)稱為熱電動(dòng)勢(shì)。 熱電效應(yīng)原理圖 當(dāng)熱端T和冷端T0存在溫差時(shí)(即TT0),則存在熱電動(dòng)勢(shì),且熱電動(dòng)勢(shì)的大小與溫差T=T-T0成正
8、比。冷冷端端T T0 0熱熱端端T T第22頁(yè)/共68頁(yè) 熱電偶有效值檢波原理圖 圖中,直流電流I與被測(cè)電壓u(t)的有效值V的關(guān)系: 電流I熱電動(dòng)勢(shì)熱端與冷端的溫差,而熱端溫度u(t)功率u(t)的有效值V的平方,故, 2IVR Ru u( (t t) )冷冷端端T T0 0加加熱熱絲絲熱熱端端T T熱熱偶偶M Mu uA A連連接接導(dǎo)導(dǎo)線線I I第23頁(yè)/共68頁(yè)R Ru u( (t t) )冷冷端端T T0 0加加熱熱絲絲熱熱端端T T測(cè)測(cè)量量熱熱偶偶電電流流表表平平衡衡熱熱偶偶+ +- -V Vo oE Ex xE Ef fV Vi i熱熱端端T T連連接接導(dǎo)導(dǎo)線線差差分分放放大大器器
9、圖5-7 具有線性刻度的有效值電壓表原理圖第24頁(yè)/共68頁(yè)2. 2. 峰值電壓表原理、刻度特性和誤差分析峰值電壓表原理、刻度特性和誤差分析 刻度特性 對(duì)于任意波形而言,峰值電壓表的讀數(shù)沒有直接意義,由讀數(shù)到峰值和有效值需進(jìn)行換算,換算關(guān)系歸納如下:式中,為峰值電壓表讀數(shù),為波峰因數(shù)。 波形誤差21.4121.41ppKKp(任意波)峰值V(任意波)有效值V第25頁(yè)/共68頁(yè) 刻度特性 對(duì)于任意波形而言,均值電壓表的讀數(shù)沒有直接意義,由讀數(shù)到峰值和有效值需進(jìn)行換算,換算關(guān)系歸納如下:式中,為均值電壓表讀數(shù),KF為波形因數(shù)。 波形誤差。若將讀數(shù)直接作為有效值,產(chǎn)生的誤差0.90.9FK(任意波)
10、均值V(任意波)有效值V0.910.91.1110.90.9FFFFFKKKKK3.3.均值電壓表原理、刻度特性和誤差分析均值電壓表原理、刻度特性和誤差分析第26頁(yè)/共68頁(yè)4 4)實(shí)例分析)實(shí)例分析 例 用具有正弦有效值刻度的峰值電壓表測(cè)量一個(gè)方波電壓,讀數(shù)為1.0V,問如何從該讀數(shù)得到方波電壓的有效值?解 根據(jù)上述峰值電壓表的刻度特性,由讀數(shù)=1.0V,第一步,假設(shè)電壓表有一正弦波輸入,其有效值=1.0V;第二步,該正弦波的峰值=1.4V;第三步,將方波電壓引入電壓表輸入,其峰值Vp=1.4V;第四步,查表可知,方波的波峰因數(shù)Kp=1,則該方波的有效值為:V=Vp/Kp=1.4V。第27頁(yè)
11、/共68頁(yè)4 4)實(shí)例分析)實(shí)例分析例 用具有正弦有效值刻度的均值電壓表測(cè)量一個(gè)方波電壓,讀數(shù)為1.0V,問該方波電壓的有效值為多少?解 根據(jù)上述均值電壓表的刻度特性,由讀數(shù)=1.0V,第一步,假設(shè)電壓表有一正弦波輸入,其有效值 =1.0V;第二步,該正弦波的均值 =0.9=0.9V;第三步,將方波電壓引入電壓表輸入,其均值 0.9V;第四步,查表可知,方波的波形因數(shù) =1,則該方波的有效值為: 0.9V。FVKV方波VVVVFK方波第28頁(yè)/共68頁(yè)模擬式交流電壓表模擬式交流電壓表1. 檢波-放大式電壓表2. 放大-檢波式電壓表3. 分貝測(cè)量及寬頻電平表4. 外差式選頻電平表第29頁(yè)/共68
12、頁(yè)1 1)檢波)檢波- -放大式電壓表放大式電壓表峰峰值值檢檢波波器器步步進(jìn)進(jìn)分分壓壓器器直直流流放放大大器器uA步步進(jìn)進(jìn)分分壓壓器器斬?cái)夭úǚ€(wěn)穩(wěn)零零式式放放大大器器uA(a)峰峰值值檢檢波波器器( (探探頭頭內(nèi)內(nèi)) )(b)第30頁(yè)/共68頁(yè)模擬式交流電壓表模擬式交流電壓表 2)放大-檢波式電壓表 先放大再檢波,因此靈敏度很高。均值電壓表常用這種方式。 放大器 寬帶交流放大器決定了電壓表的頻率范圍。一般上限為10MHz。常稱為“寬頻毫伏表”或“視頻毫伏表” 。 靈敏度受仍受寬帶交流放大器內(nèi)部噪聲限制。步步進(jìn)進(jìn)分分壓壓器器寬寬帶帶交交流流放放大大器器均均值值檢檢波波器器uA圖 5-9 放大-檢
13、波式電壓表組成第31頁(yè)/共68頁(yè) 3 分貝測(cè)量及寬頻電平表(1) 分貝10lgwmxP dBP mW 20lg0.775xVVV VP dB(5-25) (5-26) 第32頁(yè)/共68頁(yè)(2) 寬頻電平表具有分貝讀數(shù)的電壓表稱為“寬頻電平表” 在均值電壓表(放大-檢波式)基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的輸輸入入衰衰減減器器寬寬帶帶交交流流放放大大器器均均值值檢檢波波器器uAd dB B“輸輸入入電電平平”選選擇擇標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)電電平平震震蕩蕩器器“輸輸入入阻阻抗抗”選選擇擇“電電平平校校準(zhǔn)準(zhǔn)”dB圖5-10 寬頻電平表組成框圖第33頁(yè)/共68頁(yè)4 4 外差式選頻電平表外差式選頻電平表 組成:外差式接收機(jī)寬頻電平表。 輸
14、入電路:衰減或小增益高頻放大。 兩級(jí)變頻:輸入fx與第一本振f1(可調(diào))混頻,經(jīng)帶通濾波器選出fZ1(固定);輸輸入入電電路路中中頻頻放放大大器器均均值值檢檢波波器器dB混混頻頻器器2 2fZ2(固固定定)f2(固固定定)帶帶通通濾濾波波器器窄窄帶帶濾濾波波器器混混頻頻器器1 1f1(可可調(diào)調(diào))fZ1(固固定定)fx(第第一一本本振振)(第第二二本本振振)圖5-11 選頻電平表的組成框圖第34頁(yè)/共68頁(yè)5 5 電壓表的使用電壓表的使用 峰值電壓表 均值電壓表 有效值電壓表 寬頻電平表 選頻電平表第35頁(yè)/共68頁(yè)5.4 5.4 直流電壓的數(shù)字化測(cè)量及直流電壓的數(shù)字化測(cè)量及A/DA/D轉(zhuǎn)換原轉(zhuǎn)
15、換原理理 的組成原理及主要性能指標(biāo)1)DVM的組成 數(shù)字電壓表(Digital Voltage Meter,簡(jiǎn)稱DVM)。輸輸入入電電路路A A/ /D D轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換換器器數(shù)數(shù)字字顯顯示示器器邏邏輯輯控控制制電電路路時(shí)時(shí)鐘鐘發(fā)發(fā)生生器器模模擬擬部部分分?jǐn)?shù)數(shù)字字部部分分Vx圖5-12數(shù)字電壓表組成框圖第36頁(yè)/共68頁(yè) DVM的主要性能指標(biāo) 顯示位數(shù) 量程 分辨力 測(cè)量速度 測(cè)量精度 輸入阻抗第37頁(yè)/共68頁(yè)轉(zhuǎn)換原理轉(zhuǎn)換原理分類: 積分式:雙積分式、三斜積分式、脈沖調(diào)寬(PWM)式、電壓-頻率(V-F)變換式等。 非積分式:斜波電壓(線性斜波、階梯斜波)式、比較式(逐次逼近式、零平衡式)等。 第3
16、8頁(yè)/共68頁(yè)1 1)逐次逼近比較式)逐次逼近比較式ADCADC 原理框圖逐逐次次逼逼近近移移位位寄寄存存器器( (S SA AR R) )D/A轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換換器器Vx+-比比較較器器C CL LK KSTARTA/D轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換換結(jié)結(jié)果果2-12-nMSBLSBVrN N圖513逐次逼近比較式ADC原理框圖)315(2,2nrrnxUeeNUNU第39頁(yè)/共68頁(yè)2 2)單斜式)單斜式ADCADC斜斜波波電電壓壓發(fā)發(fā)生生器器QQSETCLRSR&000時(shí)時(shí)鐘鐘計(jì)計(jì)數(shù)數(shù)器器主主門門VrVx+-+-門門控控信信號(hào)號(hào)輸輸入入比比較較器器接接地地比比較較器器a計(jì)計(jì)數(shù)數(shù)輸輸入入0VxVx、V Vr r門門
17、控控信信號(hào)號(hào)計(jì)計(jì)數(shù)數(shù)輸輸入入NV Vr rt1bT0T0 xVkTkT N圖514單斜式ADC的原理框圖和波形圖第40頁(yè)/共68頁(yè)2 2)單斜式)單斜式ADCADC例 設(shè)一臺(tái)基于單斜A/D轉(zhuǎn)換器的4位DVM,基本量程為10V,斜波發(fā)生器的斜率為10V/100ms,試計(jì)算時(shí)鐘信號(hào)頻率。若計(jì)數(shù)值N=5123,則被測(cè)電壓值是多少?解010000100 Hz100fkms00512351.23ms100kHzNTNTf10V/100ms 51.23ms=5.123VxVkT第41頁(yè)/共68頁(yè)主主門門計(jì)計(jì)數(shù)數(shù)器器邏邏輯輯控控制制電電路路數(shù)數(shù)字字輸輸出出時(shí)時(shí)鐘鐘S1S2CRVx-VrVr積積分分器器比比較
18、較器器-+-+S S1 1S S2 2Vot0t1復(fù)復(fù)零零t2t3VoVomT1T2N1N2t積積分分波波形形計(jì)計(jì)數(shù)數(shù)器器輸輸入入a.b.清清零零T0f0T011T03. 3. 雙積分式雙積分式ADCADC 圖 5-15 雙積分式ADC的原理框圖和積分波形圖第42頁(yè)/共68頁(yè) 雙積分式ADC特點(diǎn) 積分器的R、C元件對(duì)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果不會(huì)產(chǎn)生影響,因而對(duì)元件參數(shù)的精度和穩(wěn)定性要求不高。 參考電壓Ur的精度和穩(wěn)定性對(duì)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果有影響 具有較好的抗干擾能力第43頁(yè)/共68頁(yè)主主門門高高位位計(jì)計(jì)數(shù)數(shù)器器A A邏邏輯輯控控制制電電路路數(shù)數(shù)字字輸輸出出時(shí)時(shí)鐘鐘S1S2CRVx-Vr積積分分器器比比較較器
19、器-+-+S S1 1S S2 2Vot0t1復(fù)復(fù)零零t2t31VoVomT1T2N1N2t積積分分波波形形計(jì)計(jì)數(shù)數(shù)器器輸輸入入a.b.清清零零低低位位計(jì)計(jì)數(shù)數(shù)器器B B主主門門清清零零-+ABR1R2R3t32T3N3VtVr/10nVtN N2 2N3f0T0T0T04. 4. 三斜積分式三斜積分式ADCADC圖5-16 三斜積分式ADC的原理框圖和積分電壓波形第44頁(yè)/共68頁(yè)5.5 5.5 電流、電壓、阻抗變換技術(shù)及數(shù)字多用電流、電壓、阻抗變換技術(shù)及數(shù)字多用表表電流、電壓、阻抗變換技術(shù)1. AC/DC變換2. I/V 變換3. Z/V 變換第45頁(yè)/共68頁(yè)Ix9009090.90.1
20、(200mV)200A A(200mV)2mA A(200mV)20mA A(200mV)200mA A(200mV)2A A圖 5-17 電流-電壓(I/V)變換第46頁(yè)/共68頁(yè)3. Z/V 3. Z/V 變換變換恒恒流流源源( (可可調(diào)調(diào)) )A A/ /D DR Rx xIr-+A Am mp p恒恒流流源源( (可可調(diào)調(diào)) )A A/ /D D-+A Am mp pIrVrR1Rx精精密密電電阻阻VoVr取取樣樣電電阻阻圖5-18 電阻-電壓(R/V)變換的原理圖第47頁(yè)/共68頁(yè)數(shù)字多用表數(shù)字多用表1. 組成框圖A AC C/ /D DC CI I/ /V VZ Z/ /V VD
21、DV VM MC CP PU UD DC CA AC CI IZ Z圖5-19 DMM的組成框圖第48頁(yè)/共68頁(yè)數(shù)字多用表數(shù)字多用表2. 數(shù)字多用表(DMM)的主要特點(diǎn) DVM的功能擴(kuò)展。DMM可進(jìn)行直流電壓、交流電壓、電流、阻抗等測(cè)量。 測(cè)量分辨力和精度有低、中、高三個(gè)檔級(jí),位數(shù)3位半8位半。 一般內(nèi)置有微處理器??蓪?shí)現(xiàn)開機(jī)自檢、自動(dòng)校準(zhǔn)、自動(dòng)量程選擇,以及測(cè)量數(shù)據(jù)的處理(求平均、均方根值)等自動(dòng)測(cè)量功能。 一般具有外部通信接口,如RS-232、GPIB等,易于組成自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)。第49頁(yè)/共68頁(yè)R Rx xIrIrVxDMMRl1Rl2R Rx xIrIrVxDMMRl1Rl2Rl3Rl
22、43. 數(shù)字多用表的使用圖5-20 DMM的二端法與四端法測(cè)電阻引線電阻接觸電阻第50頁(yè)/共68頁(yè)5.6 5.6 數(shù)字電壓表的誤差分析及自動(dòng)化技術(shù)數(shù)字電壓表的誤差分析及自動(dòng)化技術(shù) 的誤差分析 1.DVM的整體誤差 2.DVM中各部件的誤差分析第51頁(yè)/共68頁(yè)1. 滿度誤差與自動(dòng)校零技術(shù)a.放大器的Uos引起輸出變化AUos b.自動(dòng)校零原理(并聯(lián)式)Uos+-AViVo=A(Vi+Uos)Uos+-AViVo=AVi+Uos+-+-K1K2K3+-C0A1+AosU DVM中的自動(dòng)校正技術(shù)圖5-24 放大器的零點(diǎn)漂移及自動(dòng)校零電路第52頁(yè)/共68頁(yè)中的自動(dòng)校正技術(shù)中的自動(dòng)校正技術(shù)2 讀數(shù)誤差
23、的自動(dòng)校正技術(shù) 積分器的零點(diǎn)校正,不僅可以減小滿度誤差,也可減小讀數(shù)誤差中的轉(zhuǎn)換誤差。 讀數(shù)誤差中的非線性誤差,則還需要采取其他措施,主要有補(bǔ)償和校正兩種措施第53頁(yè)/共68頁(yè)000A/D轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換換器器VxVr0VNxNrN0衰衰減減/ /放放大大器器轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換換系系數(shù)數(shù)k k總總漂漂移移U Uo os sS1S2S3圖5-25 DVM的軟件校準(zhǔn)測(cè)量原理00 xxrrNNVVNN(5-57)第54頁(yè)/共68頁(yè)中的自動(dòng)量程技術(shù)中的自動(dòng)量程技術(shù)1. 滿度誤差與量程選擇的關(guān)系VxVm0%mxVV %圖5-26 滿度誤差在全量程范圍內(nèi)的變化第55頁(yè)/共68頁(yè)中的自動(dòng)量程技術(shù)中的自動(dòng)量程技術(shù)2. 量程自動(dòng)選擇
24、實(shí)現(xiàn)原理0199.9mV180mV1.999V1.8V19.99V18V199.9V180V1200V圖5-27 DVM的自動(dòng)量程轉(zhuǎn)換第56頁(yè)/共68頁(yè)5.7 5.7 電壓測(cè)量的干擾及抑制技電壓測(cè)量的干擾及抑制技術(shù)術(shù)干擾的來源及分類干干擾擾信信號(hào)號(hào)un被被測(cè)測(cè)電電壓壓VxHLDVM被被測(cè)測(cè)電電壓壓VxHLDVM干干擾擾信信號(hào)號(hào)ucm圖5-28 DVM的串模干擾和共模干擾第57頁(yè)/共68頁(yè)干擾的來源及分類干擾的來源及分類HLDVMHLDVMunun外外部部感感應(yīng)應(yīng)信信號(hào)號(hào)Vx存存在在干干擾擾的的信信號(hào)號(hào)源源+Eucm圖5-29 串模干擾與共模干擾的實(shí)際例子第58頁(yè)/共68頁(yè)串模干擾的抑制串模干擾的抑制1 抑制原理及基本方法 直流串模干擾:由于串模干擾是疊加在被測(cè)信
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