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1、555简易电子琴电路的设计 系 别:物理与电子工程学院专 业:电子科学与技术姓 名:董丽敏学 号:2009012031指导 教师:赵祥敏 职 称:讲师任务下达时间:2011年05月30日完成 时间:2011年06月14日牡丹江师范学院2011年05月30日牡丹江师范学院本科学生课程设计指导书题 目 555简易电子琴电路制作 班 级 2009电子科学与技术 指导教师 赵祥敏 牡丹江师范学院2011年5 月 30 日数字电路课程设计指导书课程名称:数字电路学时数:2周学分数:开课院、系(部)、教研室: 物理与电子工程学院 电子信息教研室执笔人: 赵祥敏 一、设计目的(1)掌握简易电子琴电路的设计和

2、调试方法; (2)掌握简易电子琴电路的参数的计算方法。二、设计任务设计一个简易电子琴电路。三、设计内容与要求根据设计要求和已知条件,确定电路方案,计算并选取外电路的元件参数。四、设计资料及有关规定使用的元器件要求为:功放Lm386,555定时器,电阻,开关等。五、设计成果要求 设计论文六、物资准备1.到图书馆、物理系资料室查阅相关资料2.到实验室准备器件作好实验准备七、主要图式、表式电路图、表要规范,符合设计要求八、时间安排2011.6.1 设计动员,发放设计任务书2011.6.2-2011.6.3 查阅资料、拟定设计程序和进度计划2011.6.4-2011.6.10 确定设计方案、实验、画图

3、、编写设计说明书2011.6.11-2011.6.13 完成设计,交指导教师审阅2011.6.14 成绩评定九、考核内容与方式考核的内容包括:学习态度;技术水平与实际能力;论文(计算书、图纸)撰写质量;创新性;采取审定与答辩相结合的方式,成绩评定按百分制记分。十、参考书目1 何希才.常用集成电路简明速查手册(第一版).北京 :国防工业出版社.2006.82 徐国华.模拟及数字电子技术实验教程.北京:北京航空航天大学出版社.2004.8 3 陈振官.数字电路及制作实例 (第一版) .北京:国防工业出版社.2006.84 黄继昌.数字集成电路应用300例 .北京:人民邮电出版社.2003.11牡丹

4、江师范学院本科学生课程设计任务书课程名称:数字电路课程设计课程设计题目555简易电子琴的制作院、系物理与电子工程学院专业电子信息科学与技术年级2009已知参数和设计要求:设计一个555简易电子琴电路。学生应完成的工作:1、 根据设计要求和已知条件,确定电路方案,计算并选取外电路的元件参数。2、 使用的元器件要求为:功放Lm386,555定时器,电阻,开关等。目前资料收集情况(含指定参考资料):1 何希才.常用集成电路简明速查手册(第一版).北京 :国防工业出版社.2006.82 徐国华.模拟及数字电子技术实验教程.北京:北京航空航天大学出版社.2004.8 3 陈振官.数字电路及制作实例 (第

5、一版) .北京:国防工业出版社.2006.84 黄继昌.数字集成电路应用300例 .北京:人民邮电出版社.2003.11课程设计的工作计划:2011.6.1 设计动员,发放设计任务书2011.6.2-2011.6.3 查阅资料、拟定设计程序和进度计划2011.6.4-2011.6.10 确定设计方案、实验、画图、编写设计说明书2011.6.11-2011.6.13 完成设计,交指导教师审阅2011.6.14 成绩评定任务下达日期 2011 年 6 月 1 日 完成日期 2011 年 6 月 14 日指导老师 (签名) 学生 (签名)中文摘要摘要:本报告讲述了用555制作简易电子琴,从而产生八种

6、不同音阶控制电路的设计,它能实现在按下8个按键的情况下产生8种不同的音调,并且用LM386将音调放大。本实验完成了简易电子琴的设计和调试。基本设计思路是采用了模块设计:实现基本要求时只要用555构成多谐振荡电路,通过不同的电阻来获得不同的频率,经由LM386放大从而发出不同的音调。如果要实现提高要求则需要在基本要求上添加一部分电路即可。通过开关控制不同的电阻所对应的振荡电路的通断调节相应频率大小,从而产生不同的音调。关键字:简易电子琴,LM386,NE555目 录中文摘要I引言11 设计要求与任务22 总体框图23 设计方案23.1 利用555定时器设计23.2 利用编码器、译码器和多谐振荡器

7、设计34 选择器件34.1 实验器材34.2 555定时器44.2.1 555定时器的说明44.2.2 555定时器逻辑符号44.2.3 555定时器的内部原理图44.2.4 555定时器的逻辑功能54.2.5 555定时器的工作波形图65 各部分电路65.1开关输入端65.2 555定时器构成振荡器75.3.1 LM386内部电路85.3.2 LM386的外形和引脚的排列96 设计电路与方案106.1基本要求设计电路10振荡和脉冲发生电路106.1.2 功放电路部分116.2设计方案117 参数计算138 电路的调试及仿真138.1 EDA仿真图138.2 验证实验波形图138.3 测试结果

8、与分析168.4 实验中的问题及解决办法16结束语17参考文献18致谢19引言555定时器是一种中规模集成电路,外形为双列直插8脚结构,体积很小,使用起来方便。只要在外部配上几个适当的阻容元件,就可以构成史密特触发器、单稳态触发器及自激多谐振荡器等脉冲信号产生与变换电路。它在波形的产生与变换、测量与控制、定时电路、家用电器、电子玩具、电子乐器等方面有广泛的应用,例如家用电器控制装置、门铃、报警器、信号发生器、电路检测仪器、元器件测量仪、定时器、压频转换电路、电源应用电路、自动控制装置及其它应用电路都有着广泛的应用,这是因为NE555巧妙地将模拟电路和数字电路结合在一起的缘故。电子琴最早是由美国

9、发明家于上世纪20年代末发明,并于30年代制造投放市场的。电子琴不是钢琴的简易版,电子琴不是起源于钢琴,它们是两种不同的乐器,电子琴也起源于钢琴,电子琴起源于管风琴。电子琴分单排键电子琴和双排键电子琴(电子管风琴)。1959年日本生产出世界上第一台立式双排键电子琴,它有三层键盘。 近年来,电子琴发展迅速,不论是在制造工艺上、操作程序上还是在演奏技法上都有了突飞猛进的发展,这在乐器发展史上是其他任何乐器所不能比拟的。自从八十年代电子琴进入我国以来,电子琴以它适合中国国情、经济适用、表现力强、功能强大而受到广大的初学者、音乐爱好者、专业音乐工作者,音乐家的喜爱,可以说现在电子琴在中国的普及率是很高

10、的。这无论是对提高整个人们的音乐素质,还是对音乐的发展都是功德无量的事。1 设计要求与任务学习调试电子电路的方法,提高实际动手能力。了解由555定时器构成简易电子琴的电路及原理。2 总体框图总体框图如图1所示。图1 总体框图该电路包括按钮开关,定值电阻,555振荡器和扬声器三部分组成。1输入端: 由八个按钮开关与各自的定值电阻串联在并联组成输入端。2频率产生端:根据定值电阻的不同输入,由555产生不同的信号频率。3扬声器端口:接受信号频率发出特定的频率。3 设计方案3.1 利用555定时器设计 采用两个555集成定时器组成简易电子琴。整个电路由主振荡器,颤音振荡器,扬声器和琴键按钮等部分组成。

11、主振荡器由555定时器,七个琴键按钮S1-S7,外接电容C1、C2,外接电阻R8以及R1-R7等元件组成,颤音振荡器由555定时器,电容C5及R9、R10等元件组成,颤音振荡器振荡频率较低为64Hz,若将其输出电压U连接到主振荡器555定时器复位端4,则主振荡器输出端出现颤音。此简易电子琴主要由两部分组成:多谐振荡器、功率放大器声音输出。原理框图如图2所示。图2 简易电子琴原理框图3.2 利用编码器、译码器和多谐振荡器设计利用编码器,译码器,多谐振荡器设计如图3图3 利用编码器,译码器,多谐振荡器设计综上所述:选择方案一,原因是用555定时器比单片机方便简洁,无需琐碎的器件,且操作容易,不易混

12、乱。4 选择器件4.1 实验器材电子琴电路制作所需的器材如表1表1实验器材名称NE555按键开关拨动开关电阻电容电路板电池导线扬声器数量1819311若干14.2 555定时器4.2.1 555定时器的说明555 定时器是一种模拟和数字功能相结合的中规模集成器件。一般用双极性工艺制作的称为 555,用 CMOS 工艺制作的称为 7555。 555 定时器成本低,性能可靠,只需要外接几个电阻、电容,就可以实现多谐振荡器、单稳态触发器及施密特触发器等脉冲产生与变换电路。它也常作为定时器广泛应用于仪器仪表、家用电器、电子测量及自动控制等方面。它内部包括两个电压比较器,三个等值串联电阻,一个 RS 触

13、发器,一个放电管 T 及功率输出级。它提供两个基准电压VCC /3 和 2VCC /34.2.2 555定时器逻辑符号555定时器逻辑符号如图4图4 555定时器逻辑符号4.2.3 555定时器的内部原理图555定时器的内部原理图如图5所示。Vi1(TH):高电平触发端,简称高触发端,又称阈值端,标志为TH。Vi2(TR):低电平触发端,简称低触发端,标志为TR。VCO:控制电压端。VO:输出端。Dis:放电端。Rd:复位端。图5 555定时器的内部原理图4.2.4 555定时器的逻辑功能555定时器的功能表如表2表2 555定时器的功能表RSTTHTROUT0XX01>2/3VCC&g

14、t;1/3VCC01<2/3VCC>1/3VCC不变1<2/3VCC<1/3VCC11>2/3VCC<1/3VCC1在555定时器的VCC端1/3和地之间加上电压,并让VCO悬空,则比较器C1的同相输入端接参考电压1/3VCC,比较器C2反相输入端接参考电压2/3VCC ,为了学习方便,我们规定:当TH端的电压>1/3VCC时,写为VTH=1,当TH端的电压<2/3VCC时,写为VTH=0。当TR端的电压>2/3VCC时,写为VTR=1,当TR端的电压<1/3VCC时,写为VTR=0。 低触发:当输入电压Vi2<VCC2/3 且

15、Vi1<1/3VCC时,VTR=0,VTH=0,比较器C2输出为低电平,C1输出为高电平,基本RS触发器的输入端TH=0、TR=1,经输出反相缓冲器后,VO1,T截止。这时称555定时器“低触发”; 保持:若Vi2>1/3VCC 且Vi1<2/3VCC,则VTR=1,VTH=0,基本RS触发器保持,VO和T状态不变,这时称555定时器“保持”。 高触发:若Vi1>2/3VCC,则VTH=1,比较器C1输出为低电平,无论C2输出何种电平,基本RS触发器,经输出反相缓冲器后,VO0;T导通。这时称555定时器“高触发”。4.2.5 555定时器的工作波形图图6 555工作波

16、形图5 各部分电路5.1开关输入端开关输入端电路如图7图7 开关输入端逻辑功能: 八个开关与经计算出来的固定电阻串联后再其并联,给555震荡器产生不同的信号,从而产生不同的频率。5.2 555定时器构成振荡器由555定时器构成的多谐振荡器,R1,R2和C是外接定时元件,电路中将高电平触发端(6脚) 和低电平触发端(2脚)并接后接到R2和C的连接处,将放电端(7脚)接到R1,R2的连接处。由于接通电源瞬间,电容C来不及充电,电容器两端电压uc为低电平,小于(1/3)Vcc,故高电平触发 端与低电平触发端均为低电平,输出uo为高电平,放电管VT截止。这时,电源经R1,R2对电容C充电,使 电压uc

17、按指数规律上升,当uc上升到(2/3)Vcc时,输出uo为低电平,放电管VT导通,把uc从(1/3)Vcc 上升到(2/3)Vcc这段时间内电路的状态称为第一暂稳态,其维持时间TPH的长短与电容的充电时间有关 。充电时间常数T充=(R1R2)C。由于放电管VT导通,电容C通过电阻R2和放电管放电,电路进人第二暂稳态.其维持时间TPL的长短与电 容的放电时间有关,放电时间常数T放R2C0随着C的放电,uc下降,当uc下降到(1/3)Vcc时,输出uo。 为高电平,放电管VT截止,Vcc再次对电容c充电,电路又翻转到第一暂稳态。不难理解,接通电源后,电 路就在两个暂稳态之间来回翻转,则输出可得矩形

18、波。电路一旦起振后,uc电压总是在(1/32/3)Vcc 之间变化。由555定时器和外接元件R1、R2、C构成多谐振荡器如图8所示,脚2与脚6直接相连。电路没有稳态,仅存在两个暂稳态,电路亦不需要外接触发信号,利用电源通过R1、R2向C充电,以及C通过R2向放电端放电,使电路产生振荡。电容C在和之间充电和放电,从而在输出端得到一系列的矩形波,对应的波形如图9所示。输出信号的时间参数是:    T=TW1+TW2 (1)TW1=0.7(R1+R2)C TW2=0.7R2C其中,为1/3VCC ,VC由上升到2/3VCC所需的时间,TW2为电容C放电所需的时间。555

19、电路要求R1与R2均应不小于1K,但两者之和应不大于3.3M。图8 555构成多谐振荡器             图9 多谐振荡器的波形图5.3 LM386LM386是一种音频集成功放,具有自身功耗低、电压增益可调整、电源电压范围大、外接元件少和总谐波失真小等优点,广泛应用于录音机和收音机之中。 LM386内部电路LM386内部电路原理图如图10所示。与通用型集成运放相类似,它是一个三级放大电路。第一级为差分放大电路,T1和T3、T2和T4分别构成复合管,作为差分放

20、大电路的放大管;T5和T6组成镜像电流源作为T1和T2的有源负载;T3和T4信号从管的基极输入,从T2管的集电极输出,为双端输入单端输出差分电路。使用镜像电流源作为差分放大电路有源负载,可使单端输出电路的增益近似等于双端输出电容的增益。图10 LM386内部电路原理图第二级为共射放大电路,T7为放大管,恒流源作有源负载,以增大放大倍数。第三级中的T8和T9管复合成PNP型管,与NPN型管T10构成准互补输出级。二极管D1和D2为输出级提供合适的偏置电压,可以消除交越失真。引脚2为反相输入端,引脚3为同相输入端。电路由单电源供电,故为OTL电路。输出端(引脚5)应外接输出电容后再接负载。电阻R7

21、从输出端连接到T2的发射极,形成反馈通路,并与R5和R6构成反馈网络,从而引入了深度电压串联负反馈,使整个电路具有稳定的电压增益。 LM386的外形和引脚的排列LM386是音频功率放大 器,主要应用于低电压消费类产品。为使外围元件最少,电压增益内置为20。但在1脚和8脚之间增加一只外接电阻和电容,便可将电压增益调为任意值,直至 200。输入端以地位参考,同时输出端被自动偏置到电源电压的一半,6V电源电压下,它的静态功耗仅为24mW,使得LM386其引脚图如图11所示。 图11 LM386的外形和引脚的排列LM386电源电压412V,音频功率0.5W。LM386音响功放是由NSC制造的,它的电源

22、电压范围非常宽,最高可使用到15V,消耗静态电流为4mA,当电源电压为12V时,在8欧姆的负载情况下,可提供几百mW的功率。6 设计电路与方案6.1基本要求设计电路振荡和脉冲发生电路我们先用555定时器构成一个施密特触发器,再把这个施密特触发器改接成多谐振荡器。不过,我们这个施密特触发器稍微复杂一些,除了“二六一搭”以外,又增加了一个电阻。与555定时器内部的放电管TD构成了一个反相器。逻辑上,这个反相器的输出与555定时器的输出完全相同。因此,这个施密特触发器有两个输出端,分别为555定时器的3号脚和7号脚。我们看到,电阻和电容C构成了RC积分电路,施密特触发器的一个输出端(7号脚)接RC积

23、分电路的输入端,RC积分电路的输出端接施密特触发器的输入端。这样,一个多谐振荡器就成了。施密特触发器的另外一个输出端(3号脚)专门作为多谐振荡器的输出,可以最大限度地保证多谐振荡器的带负载能力。电子琴之所以能产生音乐,是由于不同的电阻在555组成的多谐振荡电路中产生不同的频率,而频率是不同的音阶产生的根本原因。而不同的音阶在人听来就是不同的音调。555构成的振荡器电路可以不需要外加触发信号,能自动地产生矩形脉冲,这样就可得到制作电子琴的频率和循环播放的脉冲信号。其电路图如图12所示。计算频率应用公式:f =1/0.7(+2*)*C (3) 图12 555定时器构成的多谐振荡器 功放电路部分集成

24、功放大电路可以有多种选择,如三极管放大、差分放大、运放等等,考虑到本次是对音频放大,故选择的是通用型音频功率放大器。采用LM386运放,价格低廉。LM386一般采用6-9V电源,最大输出功率为1W,因该器件散热条件不够理想,一般输出功率为0.5W以下,一般为0.3W。由LM386内部结构知,电路的电压放大倍数可由内部1.35k电阻及引脚1、8间的外围元件确定。当引脚1、8间不接任何元件时,其电压放大倍数为20倍,当引脚1、8之间外接电容10 uF电容是,其电压放大倍数为200。此时,内部的1.35k电阻倍交流短路,其电压放大倍数表示式为: =2/=30k/150。引脚5与地之间外接0.047u

25、F电容和10欧电阻为补偿电路,可提高电路的稳定性,防止电路高频自激。当LM386处于高电压放大倍数时,电源的影响将会增大,为此在引脚7与地之间外接10 uF的滤波电容。功率放大器LM386作发生器,能直接驱动扬声器,如图13所示为LM386电压增益最大时的用法,使引脚1和8在交流通路中短路,使200;为旁路电容;为去耦电容,滤掉电源的高频交流成分。当=16V、=32时,1W,但是,输入电压有效值却仅需28.3mV图13 LM386功放电路6.2设计方案利用非对称式多谐振荡器电路来作为发声电路,由频率值1:261.6、2:293.6、3:329.6、4:349.2、5:392.0、6:440.0

26、、7:439.9、0:523和确定一个电容值可计算得不同的电阻值。当且仅当74LS138输出低电平,反向器输出高电平,74LS04门才能打开,频率才能输出,末级接LM386放大信号。原理电路图如下图14当依次按下按键时74ls148对应的输入端为低电平,以此来控制分别发出8个不同信号,通过74ls138翻译再通过反相器使得Y0-Y7依次输出高电平,从而依次触发8个环形振荡器产生不同频率信号,最后通过功放把8个音阶依次输出。电路图如14所示。通过开关来选通不同充电电阻从而改变输出频率。以555为核心组成的多谐振荡电路,由不同的充电电阻选择不同的频率,再通过功率放大器驱动扬声器从而产生不同的音调。

27、555和、等组成一个无稳态多谐振荡器,可以通过开关-选通不同阻值的充电电阻(-),得到不同的频率,即发出不同的音符;改变的阻值也可改变频率达到改变频率的要求。通过设计要求中所给的频率计算相应的阻值,选择合适的电位器调节后接入电路中。采用小功率功率放大器LM386放大音频信号,驱扬声器,按下不同的琴键,产生不同的音调。当开关断开时,电器不耗电;开关闭合时,电器工作。图14(方案二) 简易电子琴基本要求电路图7 参数计算取=0.033uF,=3K,=10Nf, =22uF,. =10 uF, =47uF,根据所给频率按照555组成多谐振荡器求解周期的公式 。 T=1/f=0.7(+2* )C (4

28、)可求得产生1、2、3、4、5、6、7、0所对应频率需要的电阻阻值=18.0361 K;=16.1045 K;=7.372 K;=13.5234 K;=12.0473 K;=10.737 K;=4.876 K; ()=76.7725 K.8 电路的调试及仿真8.1 EDA仿真图EDA仿真图如图15所示。图15 EDA仿真图8.2 验证实验波形图1、开关闭合无信号输入时的波形图如图16所示。图16 开关闭合无信号输入时的波形图2、分别打开八个开关时的波形图分别如下。频率为262Hz波形图如图17所示。图17 频率为262Hz波形图频率为294Hz波形图如图18所示。图18 频率为294Hz波形图

29、频率为330Hz波形图如图19所示。图19 频率为330Hz的波形图频率为349Hz的波形图如图20所示。图20 频率为349Hz的波形图频率为392Hz的波形图如图21所示。图21 频率为392Hz的波形图频率为440Hz的波形图如图22所示。图22 频率为440Hz的波形图频率为494Hz的形图如图23所示。图23 频率为494Hz的波形图频率为523Hz的形图如图24所示。图24 频率为523Hz的波形图8.3 测试结果与分析当按下按键开关后,能够按照实验者的设计发出“哆”, “来”, “咪”, “发”,“嗦”,“啦”, “西”, 7个音调,虽然音调并不是很准当然没有市场上电子琴的声音好

30、,且前面四个音调没有后四个音调效果好,;音调不准可能是调节电阻值存在误差。在焊接完成后我们不急于一次性把所有的都连好,逐级焊接和测试,每条电路都检查是否有虚焊和少焊。待电路全部焊接完毕后,再次检查防止电路短路,在确保无误后我们开始进行最后测试,电路能很好的实现它的功能。8.4 实验中的问题及解决办法(1)焊接前要注意排版,排版的合适性直接影响实验各器件的正常工作,而且要使接线方便,不容易使电路板导线短路;(2)在焊接电路时,由于焊料本身有一定的电阻,所以在焊接时,应该使元器件尽量贴着万能板,距离大概留23毫米。同时既要保证不虚焊,也不能焊的过多,以免造成短路;(4)导线分布要合适,所用导线不宜

31、过长,过长主要有三点敝处:a.由于导线过长对电路产生大的误差;b.防止过长的导线相互缠绕不方便之后的调试;c.线过长容易在调试时把接线弄断。在每焊好一条线后都要对其进行检查,使其更牢固。避免在出问题后进行的大规模检查;(5)注意外加电压应该在芯片的耐压值范围内,电压太小,则声音很小,效果不明显,但是电压过高,则可能烧坏芯片;(6)买来的元器件应首先检查是否有用,如果不检查则使调试变得十分困难。结束语本次实验我认为是很有必要的,不但是对所学知识的一种检验,可以让我们在课程设计的过程中巩固所学的知识,发现自己的不足,而且也是对动手能力的一种培养。只有将理论与实践相结合,将理论用实践的方法反映出来,

32、才是学习这门课程的关键。通过两周的课程设计,基本完成了简易电子琴的制作。电子琴的制作主要涉及是模拟电路和数字电路,这是电子领域中的基本电路,此次课题要求完把数字模拟相结合,并且完成模拟电路的调试,做出的电子琴具有发声准、原理简洁、电路简单、制作成本低,有一定的实用性,可以作为某些简易电子琴的实验样品,然后做成小玩具,具有市场前景,有很大的现实意义。本次电子琴设计大部分采用IC芯片,当然关键部分在于发音部分,对于模拟发音,是通过555定时发生器产生不同频率的脉冲,利用调节电位器改变接入有效电阻,易于频率的调试。手动控制和自动控制是用模块化设计,通过模拟开关将两个独立的部分连接起来,模块化的设计主

33、要方便于电路的纠错、改进、测试。完成的电子琴实物作品整体布局美观、线路连接分明,系统功能良好。参考文献1 何希才.常用集成电路简明速查手册(第一版).北京 :国防工业出版社.2006.82 徐国华.模拟及数字电子技术实验教程.北京:北京航空航天大学出版社.2004.8 3 陈振官.数字电路及制作实例 (第一版) .北京:国防工业出版社.2006.84 黄继昌.数字集成电路应用300例 .北京:人民邮电出版社.2003.115 梁宗善.电子技术基础课程设计.华中理工大学出版社.1995.16 赵珂 彭嵩.电子技术实践(三).南昌航空工业学院电子信息工程学院电子实验实践中心.2007.37 张延琪

34、. 常用电子电路280例解析. 中国电力出版社2004年12月8 周惠潮. 常用元器件及典型应用. 电子工业出版社 2005年1月9 沈长生. 常用电子元器件使用300问. 机械工业出版社2005年5月10 胡宴如. 模拟电子技术. 高等教育出版社 2007年6月11 杨志忠. 数字电子技术. 高等教育出版社 2008年2月12 康华光. 电子技术基础.数字部分(第四版). 高等教育出版社2003年3月致谢在整个设计过程中,我要特别的感谢我的数字电路老师李敏君老师,她在设计方面给我很大的启发和改正,在实际操作和仿真中给了我很大的帮助,耐心地帮助我指导我,帮助我修改论文的格式,帮助我怎样使得论文更加规范美观,在这里我表示真诚的感谢!在整个设计过程中印象最深完成实物连接的过程,我感觉这就是本次设计最关键的部分。当一下子连接好实物的时候,我经历了喜悦;在发现了问题的时候,我都很气恼,急着

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