Materia sobre el osciloscopio
El osciloscopio de rayos catódicos (ORC) es uno de los instrumentos más i versátiles de la electrónica. Los osciloscopios se emplean en diversas aplicaciones que incluyen la reparación de aparatos electrónicos de consumo, la localización de fallas en sistemas digitales, el diseño de sistemas de control y los laboratorios de física. También pueden medir el tiempo y los niveles | de voltaje de una señal, determinar la frecuencia de un oscilador, observar I ondas que cambian con rapidez y determinar si una señal de salida está distorsionada. En consecuencia, el técnico debe conocer la operación de este instrumento y cómo y cuándo utilizarlo.
Los osciloscopios se clasifican en analógicos y digitales. Los analógicos aplican de manera directa el voltaje que se mide a un haz de electrones que se mueve a lo largo de la pantalla del osciloscopio. Este voltaje desvía el haz hacia arriba, hacia abajo y a lo largo trazando la onda en la pantalla. Los osciloscopios digitales muestrean la onda de entrada y utilizan un convertidor |analógico a digital (CAD) para cambiar el voltaje que se mide en información digital. Esta información se usa después para reconstruir la onda que se despliega en la pantalla. En la figura 31-1 aparecen los osciloscopios de tipo analógico y digital.
Para muchas de las mismas aplicaciones se pueden emplear osciloscopios digitales o analógicos. Cada uno de ellos posee sus propias características y capacidades. El osciloscopio analógico puede desplegar señales variables de alta frecuencia en "tiempo real", mientras que el digital permite capturar y almacenar información a la que puede tenerse acceso posterior-Fite o enviarse a una computadora. Los siguientes experimentos se enfoquen
Que hace un osciloscopio
El osciloscopio muestra la amplitud instantánea de una onda de voltaje de contra el tiempo en la pantalla de un tubo de rayos catódicos (TRC). En esencia, el osciloscopio es un dispositivo de despliegue gráfico y es capaz mostrar cómo las señales cambian con el tiempo. Como ilustra la figura 2, el eje vertical (Y) representa el voltaje y el eje horizontal (X), el tiempo; el eje (Z) o intensidad en ocasiones se usa en aplicaciones de medición especiales. Dentro del tubo de rayos catódicos se encuentra un cañón de electrones, las placas de desviación vertical y horizontal y una pantalla fosforescente. El cañón emite un haz de electrones de alta velocidad y baja inercia que golpea el recubrimiento químico de la cara interna del TRC, haciendo que emita luz. La brillantez (llamada intensidad) se puede variar con un control que se ubica en el panel frontal del osciloscopio. El movimiento del haz sobre la pantalla del TRC lo controlan los voltajes de desviación que se generan en los circuitos del osciloscopio fuera del TRC y las placas de desviación dentro del TRC, a las que se aplican los voltajes de desviación.
La figura 31-3 es un diagrama de bloques elemental de un osciloscopio analógico; este diagrama está compuesto por un TRC y cuatro bloques de sistemas. Estos incluyen los sistemas de despliegue, vertical, horizontal y de disparo.
El TRC provee la pantalla en que se visualizan las ondas de las señales eléctricas que se aplican al sistema de entrada vertical. Según se ajuste el control volts/div, el atenuador vertical, un divisor de voltaje variable, reduce el voltaje de la señal de entrada al nivel deseado para el amplificador vertical.
Esto es necesario porque el osciloscopio debe manejar una amplia gama de amplitudes de la señal de voltaje. El amplificador vertical procesa la señal de entrada para producir los niveles de voltaje que requieren las placas de desviación vertical. El voltaje de la señal aplicado a estas placas provoca que el haz de electrones del TRC se desvíe en forma vertical.
El movimiento hacia arriba y hacia abajo resultante del haz en la pantalla, llamado traza, es importante dado que la magnitud de la desviación vertical es directamente proporcional a la amplitud de la señal de voltaje aplicado a la entrada vertical, o V.
Una fracción de la señal de entrada viaja, proveniente del amplificador vertical, al sistema de disparo para iniciar o disparar un barrido horizontal. El sistema de disparo determina cuándo y si se activa el generador de barrido. Con el ajuste apropiado de los controles de NIVEL y de PENDIENTE, el barrido empezara cada vez en el mismo punto de disparo, lo que producirá la imagen estable como muestra la figura 31-4. El generador de barrido produce un voltaje de desviación lineal en el tiempo. La señal resultante la amplifica el amplificador horizontal y la aplica a las placas de desviación horizontal del TRC. Esto permite que el osciloscopio trace un voltaje que varía con el tiempo. El generador de barrido se puede disparar desde fuentes distintas al amplificador vertical. Se pueden elegir señales de entrada de disparo externas o fuentes internas a 60 Hz (de la línea).
El sistema de despliegue incluye los controles y circuitos necesarios para visualizar la señal en el TRC con claridad y posición óptimas. Los controles típicos incluyen intensidad, enfoque y rotación de la traza junto con los controles de posición.
Osciloscopios de doble traza
La mayoría de los osciloscopios son capaces de medir dos señales de entrada al mismo tiempo. Estos osciloscopios poseen dos amplificadores verticales independientes y un circuito electrónico de conmutación.
De esta manera es posible observar en forma simultánea dos ondas relacionadas en el tiempo en puntos diferentes en un circuito eléctrico.
Controles de operación de un osciloscopio con disparo
El tipo, ubicación y función de los controles del panel frontal de un osciloscopio difieren de un fabricante a otro y de un modelo a otro. Las descripciones siguientes se aplican a la más amplia gama de modelos de uso general.
Intensidad. Este control ajusta el nivel de brillantez o intensidad de la traza luminosa en el TRC. Su giro en el sentido de las manecillas del reloj aumenta la brillantez. Una intensidad demasiado alta puede dañar el recubrimiento fosforescente del interior de la pantalla del TRC.
Enfoque. Este control se ajusta junto con el de intensidad para obtener en la pantalla una traza más nítida. Entre estos dos controles se da una interacción, por lo que ajustar uno puede requerir reajustar el otro.
Astigmatismo. Este es otro control de enfoque del haz en osciloscopios antiguos que actúa junto con el control de enfoque para obtener una traza más nítida. En algunos casos el ajuste del astigmatismo se realiza con un desarmador en vez de en forma manual.
Posición o centrado horizontal y vertical. Estos son controles de posición de la traza y se ajustan para ubicarla o centrarla en la pantalla en forma vertical y horizontal. Enfrente de la pantalla del TRC hay una placa frontal que se conoce como retícula, que tiene grabada una cuadrícula de líneas horizontales y verticales. En algunos casos, las líneas vertical y horizontal centrales de esta placa cuentan con marcas de calibración, como ilustra la figura 31-5.
VoltS/div. Este control atenúa la onda de la señal vertical de entrada que deberá verse en la pantalla. Con frecuencia este es un control de posiciones discretas que permite el ajuste por pasos de la sensibilidad vertical. Con el osciloscopio de doble traza se dispone de un control volts/div independiente para cada canal; algunos osciloscopios indican este control en volts/cm.
Variable. Algunos osciloscopios incluyen un control concéntrico en el centro del control volts/div, y en otros se presenta por separado; en ambos casos, las funciones son similares.
El control variable trabaja con el de volts/div para permitir un control más sensible de la altura vertical de la onda en la pantalla. El control variable también tiene una posición calibrada (CAL) en uno de los extremos (ya sea el del sentido de las manecillas del reloj o el del sentido contrario). En la posición CAL el control de volts/div está calibrado en cierto valor prescrito; por ejemplo, 5 mV/div, 10 mV/div o 2 V/div. Esto permite utilizar el osciloscopio para medir el voltaje de pico a pico de la señal de entrada vertical. Los osciloscopios
de doble traza tienen un control variable independiente para cada canal.
Selectores de acoplamiento de entrada AC-GND-DC. Este selector de tres posiciones permite escoger el método de acoplamiento de la señal de entrada al sistema, vertical.
AC. La señal de entrada se acopla en forma capacitiva al amplificador vertical. El componente de cd de la señal de entrada se bloquea.
GND. La entrada del amplificador vertical se conecta a la tierra para proveer un punto de referencia de cero volts (tierra); no pone a tierra la señal de entrada.
DC. Esta posición de entrada de acoplamiento directo permite que todas las señales (ca, cd o combinaciones ca-cd) se apliquen directamente a la entrada del sistema vertical.
Sectores de MODO vertical. Estos selectores permiten escoger el modo de operación del sistema de amplificador vertical.
CH1 Selecciona sólo la señal de entrada del canal 1 para desplegarla.
CH2 Selecciona sólo la señal de entrada del canal 2 para desplegarla.
Both Selecciona las señales de entrada de ambos canales, 1 y 2, para desplegarlas. En esta posición se habilitan las operaciones ALT, CHOP o ADD.
ALT Despliega en forma alterna las señales de entrada de los canales 1 y 2. Cada entrada se traza por completo antes de trazar la siguiente. Se usa eficientemente con velocidades de barrido de 0.2 ms por división o mayores.
CHOP Durante el barrido, el despliegue se alterna entre las señales de entrada del canal 1 y el 2. La razón de conmutación es de alrededor de 500 kHz. Esto es útil para observar dos ondas a velocidades de barrido bajas de 0.5 ms por división o menores.
ADD Este modo suma algebraicamente las señales de entrada de los canales 1 y 2.
INVERT Este selector invierte el canal 2 (o el canal 1en algunos equipos) para permitir una medición diferencial cuando está en el modo
ADD.
Tiempo/div. Por lo general consta de dos controles cónicos que afectan el ritmo del barrido horizontal o el generador de base de tiempo. El control exterior es un selector posiciones discretas que permite escoger por pasos la velocidad de barrido. El control central proporciona un ajuste más fino de la velocidad de barrido en forma continua. En posición extrema en el sentido de las manecillas del reloj que en general se representa por CAL, la velocidad de lo está calibrada. Por lo tanto, cada paso del control exterior es igual a una unidad exacta de tiempo por división de la escala. De esta forma, se conoce el tiempo que tarda la traza en moverse de manera horizontal a lo largo de una división en la retícula de la pantalla. En general, los osciloscopio de doble traza tienen un control tiempo/div, y en algunos este control es de tiempo/cm.
Posición vertical. Este control se usa para ajustar la posición vertical de la traza. Es usual que cada canal del osciloscopio de doble traza tenga su propio control de posición vertical.
Selector X-Y. Cuando este selector se activa, un canal del osciloscopio de doble traza se convierte en la entrada horizontal, o X, y el otro, en la entrada vertical, o Y. En esta condición se inhabilita la fuente de disparo. En algunos osciloscopios, este ajuste ocurre cuando el control tiempo/div se gira por completo en sentido contrario a las manecillas del reloj.
Controles de disparo.
El osciloscopio de doble traza típico tiene varios controles asociados con la selección de la fuente de disparo, el método de acoplamiento, el nivel al que se dispara el barrido y la selección de la pendiente en la que ocurre el disparo.
1. Control de nivel. Este es un control giratorio que determina el punto de la onda de disparo donde se dispara el barrido. Cuando no hay señal de disparo, en la pantalla no aparece ninguna traza. Asociado al control de nivel hay un selector de Auto, que a menudo forma parte del control de nivel giratorio o puede ser un botón independiente. En la posición Auto, el control giratorio se desactiva y tiene lugar un disparo automático. En este caso siempre se genera el barrido y, por lo tanto, en la pantalla aparecerá una traza aun en ausencia de una señal de disparo. Cuando esta señal está presente, se reanuda el proceso normal de disparo.
2. Acoplamiento. Este control se utiliza para seleccionar la manera en que el disparo se acopla a la señal. Los tipos de acoplamiento y la forma en que se les identifica varían de un fabricante y de un modelo a otro. Por ejemplo, el acoplamiento de ca en general indica el uso de acoplamiento capacitivo que bloquea cd; el acoplamiento de línea indica que el voltaje de línea a 50 o 60 Hz es
el disparador. Si el osciloscopio estuviera diseñado para pruebas de televisión, el control de acoplamiento podría tener una opción para disparar mediante los pulsos de sincronización horizontal o vertical.
3. Fuente. La señal de disparo puede ser extema o interna. Como ya se mencionó, el voltaje de línea también se puede usar como señal de disparo.
4. Pendiente. Este control determina si el disparo del barrido ocurre en el intervalo de pendiente positiva o negativa de la señal de disparo. Es usual que el propio selector tenga marcado positivo o negativo o, simplemente, + o - .
Puntas. La señal de entrada al osciloscopio se conecta al contacto de entrada de la señal vertical mediante diversos tipos de conectores y un cable coaxial blindado. Para conectar el osciloscopio al circuito que se está investigando se usa una punta aislada. Las puntas pueden contener circuitos que afecten la onda visualizada en la pantalla del osciloscopio y pueden dar una lectura directa o reducir la lectura en una proporción prescrita. Como la punta misma puede introducir alguna distorsión en la onda que se observa, puede contar con un tornillo de ajuste. Este ajuste, que se denomina compensación de punta, sólo se hace en puntas 10 X .
Los osciloscopios se clasifican en analógicos y digitales. Los analógicos aplican de manera directa el voltaje que se mide a un haz de electrones que se mueve a lo largo de la pantalla del osciloscopio. Este voltaje desvía el haz hacia arriba, hacia abajo y a lo largo trazando la onda en la pantalla. Los osciloscopios digitales muestrean la onda de entrada y utilizan un convertidor |analógico a digital (CAD) para cambiar el voltaje que se mide en información digital. Esta información se usa después para reconstruir la onda que se despliega en la pantalla. En la figura 31-1 aparecen los osciloscopios de tipo analógico y digital.
Que hace un osciloscopio
El osciloscopio muestra la amplitud instantánea de una onda de voltaje de contra el tiempo en la pantalla de un tubo de rayos catódicos (TRC). En esencia, el osciloscopio es un dispositivo de despliegue gráfico y es capaz mostrar cómo las señales cambian con el tiempo. Como ilustra la figura 2, el eje vertical (Y) representa el voltaje y el eje horizontal (X), el tiempo; el eje (Z) o intensidad en ocasiones se usa en aplicaciones de medición especiales. Dentro del tubo de rayos catódicos se encuentra un cañón de electrones, las placas de desviación vertical y horizontal y una pantalla fosforescente. El cañón emite un haz de electrones de alta velocidad y baja inercia que golpea el recubrimiento químico de la cara interna del TRC, haciendo que emita luz. La brillantez (llamada intensidad) se puede variar con un control que se ubica en el panel frontal del osciloscopio. El movimiento del haz sobre la pantalla del TRC lo controlan los voltajes de desviación que se generan en los circuitos del osciloscopio fuera del TRC y las placas de desviación dentro del TRC, a las que se aplican los voltajes de desviación.
La figura 31-3 es un diagrama de bloques elemental de un osciloscopio analógico; este diagrama está compuesto por un TRC y cuatro bloques de sistemas. Estos incluyen los sistemas de despliegue, vertical, horizontal y de disparo.
El TRC provee la pantalla en que se visualizan las ondas de las señales eléctricas que se aplican al sistema de entrada vertical. Según se ajuste el control volts/div, el atenuador vertical, un divisor de voltaje variable, reduce el voltaje de la señal de entrada al nivel deseado para el amplificador vertical.
Esto es necesario porque el osciloscopio debe manejar una amplia gama de amplitudes de la señal de voltaje. El amplificador vertical procesa la señal de entrada para producir los niveles de voltaje que requieren las placas de desviación vertical. El voltaje de la señal aplicado a estas placas provoca que el haz de electrones del TRC se desvíe en forma vertical.
El movimiento hacia arriba y hacia abajo resultante del haz en la pantalla, llamado traza, es importante dado que la magnitud de la desviación vertical es directamente proporcional a la amplitud de la señal de voltaje aplicado a la entrada vertical, o V.
Una fracción de la señal de entrada viaja, proveniente del amplificador vertical, al sistema de disparo para iniciar o disparar un barrido horizontal. El sistema de disparo determina cuándo y si se activa el generador de barrido. Con el ajuste apropiado de los controles de NIVEL y de PENDIENTE, el barrido empezara cada vez en el mismo punto de disparo, lo que producirá la imagen estable como muestra la figura 31-4. El generador de barrido produce un voltaje de desviación lineal en el tiempo. La señal resultante la amplifica el amplificador horizontal y la aplica a las placas de desviación horizontal del TRC. Esto permite que el osciloscopio trace un voltaje que varía con el tiempo. El generador de barrido se puede disparar desde fuentes distintas al amplificador vertical. Se pueden elegir señales de entrada de disparo externas o fuentes internas a 60 Hz (de la línea).
El sistema de despliegue incluye los controles y circuitos necesarios para visualizar la señal en el TRC con claridad y posición óptimas. Los controles típicos incluyen intensidad, enfoque y rotación de la traza junto con los controles de posición.
Osciloscopios de doble traza
La mayoría de los osciloscopios son capaces de medir dos señales de entrada al mismo tiempo. Estos osciloscopios poseen dos amplificadores verticales independientes y un circuito electrónico de conmutación.
De esta manera es posible observar en forma simultánea dos ondas relacionadas en el tiempo en puntos diferentes en un circuito eléctrico.
Controles de operación de un osciloscopio con disparo
El tipo, ubicación y función de los controles del panel frontal de un osciloscopio difieren de un fabricante a otro y de un modelo a otro. Las descripciones siguientes se aplican a la más amplia gama de modelos de uso general.
Intensidad. Este control ajusta el nivel de brillantez o intensidad de la traza luminosa en el TRC. Su giro en el sentido de las manecillas del reloj aumenta la brillantez. Una intensidad demasiado alta puede dañar el recubrimiento fosforescente del interior de la pantalla del TRC.
Enfoque. Este control se ajusta junto con el de intensidad para obtener en la pantalla una traza más nítida. Entre estos dos controles se da una interacción, por lo que ajustar uno puede requerir reajustar el otro.
Astigmatismo. Este es otro control de enfoque del haz en osciloscopios antiguos que actúa junto con el control de enfoque para obtener una traza más nítida. En algunos casos el ajuste del astigmatismo se realiza con un desarmador en vez de en forma manual.
Posición o centrado horizontal y vertical. Estos son controles de posición de la traza y se ajustan para ubicarla o centrarla en la pantalla en forma vertical y horizontal. Enfrente de la pantalla del TRC hay una placa frontal que se conoce como retícula, que tiene grabada una cuadrícula de líneas horizontales y verticales. En algunos casos, las líneas vertical y horizontal centrales de esta placa cuentan con marcas de calibración, como ilustra la figura 31-5.
VoltS/div. Este control atenúa la onda de la señal vertical de entrada que deberá verse en la pantalla. Con frecuencia este es un control de posiciones discretas que permite el ajuste por pasos de la sensibilidad vertical. Con el osciloscopio de doble traza se dispone de un control volts/div independiente para cada canal; algunos osciloscopios indican este control en volts/cm.
Variable. Algunos osciloscopios incluyen un control concéntrico en el centro del control volts/div, y en otros se presenta por separado; en ambos casos, las funciones son similares.
El control variable trabaja con el de volts/div para permitir un control más sensible de la altura vertical de la onda en la pantalla. El control variable también tiene una posición calibrada (CAL) en uno de los extremos (ya sea el del sentido de las manecillas del reloj o el del sentido contrario). En la posición CAL el control de volts/div está calibrado en cierto valor prescrito; por ejemplo, 5 mV/div, 10 mV/div o 2 V/div. Esto permite utilizar el osciloscopio para medir el voltaje de pico a pico de la señal de entrada vertical. Los osciloscopios
de doble traza tienen un control variable independiente para cada canal.
Selectores de acoplamiento de entrada AC-GND-DC. Este selector de tres posiciones permite escoger el método de acoplamiento de la señal de entrada al sistema, vertical.
AC. La señal de entrada se acopla en forma capacitiva al amplificador vertical. El componente de cd de la señal de entrada se bloquea.
GND. La entrada del amplificador vertical se conecta a la tierra para proveer un punto de referencia de cero volts (tierra); no pone a tierra la señal de entrada.
DC. Esta posición de entrada de acoplamiento directo permite que todas las señales (ca, cd o combinaciones ca-cd) se apliquen directamente a la entrada del sistema vertical.
Sectores de MODO vertical. Estos selectores permiten escoger el modo de operación del sistema de amplificador vertical.
CH1 Selecciona sólo la señal de entrada del canal 1 para desplegarla.
CH2 Selecciona sólo la señal de entrada del canal 2 para desplegarla.
Both Selecciona las señales de entrada de ambos canales, 1 y 2, para desplegarlas. En esta posición se habilitan las operaciones ALT, CHOP o ADD.
ALT Despliega en forma alterna las señales de entrada de los canales 1 y 2. Cada entrada se traza por completo antes de trazar la siguiente. Se usa eficientemente con velocidades de barrido de 0.2 ms por división o mayores.
CHOP Durante el barrido, el despliegue se alterna entre las señales de entrada del canal 1 y el 2. La razón de conmutación es de alrededor de 500 kHz. Esto es útil para observar dos ondas a velocidades de barrido bajas de 0.5 ms por división o menores.
ADD Este modo suma algebraicamente las señales de entrada de los canales 1 y 2.
INVERT Este selector invierte el canal 2 (o el canal 1en algunos equipos) para permitir una medición diferencial cuando está en el modo
ADD.
Tiempo/div. Por lo general consta de dos controles cónicos que afectan el ritmo del barrido horizontal o el generador de base de tiempo. El control exterior es un selector posiciones discretas que permite escoger por pasos la velocidad de barrido. El control central proporciona un ajuste más fino de la velocidad de barrido en forma continua. En posición extrema en el sentido de las manecillas del reloj que en general se representa por CAL, la velocidad de lo está calibrada. Por lo tanto, cada paso del control exterior es igual a una unidad exacta de tiempo por división de la escala. De esta forma, se conoce el tiempo que tarda la traza en moverse de manera horizontal a lo largo de una división en la retícula de la pantalla. En general, los osciloscopio de doble traza tienen un control tiempo/div, y en algunos este control es de tiempo/cm.
Posición vertical. Este control se usa para ajustar la posición vertical de la traza. Es usual que cada canal del osciloscopio de doble traza tenga su propio control de posición vertical.
Selector X-Y. Cuando este selector se activa, un canal del osciloscopio de doble traza se convierte en la entrada horizontal, o X, y el otro, en la entrada vertical, o Y. En esta condición se inhabilita la fuente de disparo. En algunos osciloscopios, este ajuste ocurre cuando el control tiempo/div se gira por completo en sentido contrario a las manecillas del reloj.
Controles de disparo.
El osciloscopio de doble traza típico tiene varios controles asociados con la selección de la fuente de disparo, el método de acoplamiento, el nivel al que se dispara el barrido y la selección de la pendiente en la que ocurre el disparo.
1. Control de nivel. Este es un control giratorio que determina el punto de la onda de disparo donde se dispara el barrido. Cuando no hay señal de disparo, en la pantalla no aparece ninguna traza. Asociado al control de nivel hay un selector de Auto, que a menudo forma parte del control de nivel giratorio o puede ser un botón independiente. En la posición Auto, el control giratorio se desactiva y tiene lugar un disparo automático. En este caso siempre se genera el barrido y, por lo tanto, en la pantalla aparecerá una traza aun en ausencia de una señal de disparo. Cuando esta señal está presente, se reanuda el proceso normal de disparo.
2. Acoplamiento. Este control se utiliza para seleccionar la manera en que el disparo se acopla a la señal. Los tipos de acoplamiento y la forma en que se les identifica varían de un fabricante y de un modelo a otro. Por ejemplo, el acoplamiento de ca en general indica el uso de acoplamiento capacitivo que bloquea cd; el acoplamiento de línea indica que el voltaje de línea a 50 o 60 Hz es
el disparador. Si el osciloscopio estuviera diseñado para pruebas de televisión, el control de acoplamiento podría tener una opción para disparar mediante los pulsos de sincronización horizontal o vertical.
3. Fuente. La señal de disparo puede ser extema o interna. Como ya se mencionó, el voltaje de línea también se puede usar como señal de disparo.
4. Pendiente. Este control determina si el disparo del barrido ocurre en el intervalo de pendiente positiva o negativa de la señal de disparo. Es usual que el propio selector tenga marcado positivo o negativo o, simplemente, + o - .
Puntas. La señal de entrada al osciloscopio se conecta al contacto de entrada de la señal vertical mediante diversos tipos de conectores y un cable coaxial blindado. Para conectar el osciloscopio al circuito que se está investigando se usa una punta aislada. Las puntas pueden contener circuitos que afecten la onda visualizada en la pantalla del osciloscopio y pueden dar una lectura directa o reducir la lectura en una proporción prescrita. Como la punta misma puede introducir alguna distorsión en la onda que se observa, puede contar con un tornillo de ajuste. Este ajuste, que se denomina compensación de punta, sólo se hace en puntas 10 X .
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