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CIRCUITOS DIGITALES II PROYECTO FINAL
I.
INTRODUCCION
Partiendo de la premisa de conocer la utilidad y manejo de los circuitos secuenciales en nuestro entorno convencional y dada d ada la importancia de conocer su relevancia e imprescindible papel en el desarrollo de nuevas tecnologías se realiza este proyecto siguiendo lo solicitado el diseño e implementación de un sistema de control de ingreso de visitantes a un piso de una clínica, con un límite de cupos establecidos. En este informe se presenta paso a paso el desarrollo aplicando lo aprendido en las temáticas de la unidad 1 y 2 que presenta el módulo de sistemas digitales secuenciales, donde se profundiza en temas como cerrojos, sistemas combinacionales y secuencialess, flip flop, diseño de máquinas de estado, registros de desplazamiento y memorias.
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II.
OBJETIVOS
III.
Diseñar e implementar un sistema de control de acceso de visitantes familiares a pacientes hospitalizados en una clínica, esto teniendo como base lo estudiado, analizado y aplicado en los temas realizados en el curso. Sustentar el sistema de control de entrada y salida de visitantes de acuerdo a las variables establecidas MARCO TEORICO
Circuito integrado 555
El temporizador IC 555 es un circuito integrado (chip) que se utiliza en una variedad de aplicaciones y se aplica en la generación de pulsos y de oscilaciones. El 555 puede ser utilizado para proporcionar retardos de tiempo, como un oscilador, y como un circuito integrado flip-flop. Sus derivados proporcionan hasta cuatro circuitos de sincronización en un solo paquete. Introducido en 1971 por Signetics Signetics,, el 555 sigue siendo de uso generalizado debido a su facilidad de uso, precio bajo y la estabilidad. Lo fabrican muchas empresas en bipolares y también en CMOS de baja potencia. A partir de 2003, se estimaba que mil millones de unidades se fabricaban cada año.
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Descripción de las patillas del temporizador t emporizador 555
GND (normalmente la 1): es el polo negativo de la alimentación,
generalmente tierra (masa). Disparo (normalmente la 2): Es donde se establece el inicio del tiempo de retardo si el 555 es configurado como monoestable. Este proceso de disparo ocurre cuando esta patilla tiene menos de 1/3 del voltaje de alimentación. Este pulso debe ser de corta duración, pues si se mantiene bajo por mucho tiempo la salida se quedará en alto hasta que la entrada de disparo pase a alto otra vez. Salida (normalmente la 3): Aquí veremos el resultado de la operación del temporizador temporizador,, ya sea que esté conectado como monoestable, astable u otro. Cuando la salida es alta, el voltaje será el voltaje de alimentación (Vcc) menos 1.7 V. Esta salida se puede obligar a estar en casi 0 voltios con la ayuda de la patilla de reinicio (normalmente la 4). Reinicio (normalmente la 4): Si se pone a un nivel por debajo de 0.7 Voltios, pone la patilla de salida a nivel bajo. Si por algún motivo esta patilla no se utiliza hay que conectarla a alimentación para evitar que el temporizador se reinicie. Control de voltaje (normalmente la 5): Cuando el temporizador se utiliza en el modo de controlador de voltaje, el voltaje en esta patilla puede variar casi desde Vcc (en la práctica como Vcc -1.7 V) hasta casi 0 V (aprox. 2 V menos). Así es posible modificar los tiempos. Puede también configurarse para, por ejemplo, generar pulsos en rampa. Umbral (normalmente la 6): Es una entrada a un comparador interno que se utiliza para poner la salida a nivel bajo. Descarga (normalmente la 7): Utilizado para descargar con efectividad el condensador externo utilizado por el temporizador para su funcionamiento. DOCENTE: Dr. UTRILLA SALAZAR DARÍO | FIEE 2016-II
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Voltaje de alimentación (VCC) (normalmente la 8): es la patilla
donde se conecta el voltaje de alimentación que va de 4.5 V hasta 16 V. Multivibrador Astable
Este tipo de funcionamiento se caracteriza por una salida con forma de onda cuadrada (o rectangular) continua de ancho predefinido por el diseñador del circuito. El esquema de conexión es el que se muestra. La señal de salida tiene un nivel alto por un tiempo t1 y un nivel bajo por un tiempo t2. La duración de estos tiempos dependen de los valores de R1, R2 y C, según las fórmulas siguientes: [segundos] [segundos] La frecuencia con que la señal de salida oscila está dada por la fórmula:
el período es simplemente: También decir que si lo que queremos es un generador con frecuencia variable, debemos variar la capacidad del condensador, ya que si el cambio lo hacemos mediante los resistores R1 y/o R2, también cambia el ciclo de trabajo o ancho de pulso ( D) de la señal de salida según la siguiente expresión:
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Hay que recordar que el período es el tiempo que dura la señal hasta que ésta se vuelve a repetir (Tb - Ta). Multivibrador monoestable
En este caso el circuito entrega un solo pulso de un ancho establecido por el diseñador. El esquema de conexión es el que se muestra. La fórmula para calcular el tiempo de duración (tiempo en el que la salida está en nivel alto) es: [s] [segundos] Nótese que es necesario que la señal de disparo sea de nivel bajo y de muy corta duración para iniciar la señal de salida.
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FLIP FLOP Registro Básico construido con compuertas NAND
Este es el circuito más sencillo y básico de un FF, Puede ser construido a partir de dos compuertas NAND o dos compuertas NOR con dos entradas, a continuación se ilustra con compuertas NAND, y es denominado "Registro Básico NAND".La forma de conectarlas es la siguiente: Se deja libre una de las entradas de cada compuerta, las sobrantes son conectadas independientemente de manera cruzada hacia la salida de la compuerta contraria.Quedando la conexión de la siguiente manera:
La siguiente tabla muestra el estado inicial del Registro Básico NAND, cuando sus entradas se encuentran en ALTO (Estado de reposo del FF). Para comenzar la acción de "Flip Flop" será necesario enviar a BAJO alguna de las entradas, con su correspondiente cambio de estado a la salida.
La siguiente tabla nos muestra los diferentes cambios de las salidas, según cada selección de entradas (La "X" significa que no importa el estado en el que se encuentren en ese momento):
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Siguiendo los datos de la tabla podemos resumir que:
Si SET y RESET están en ALTO, el FF mantiene sus salidas en el estado actual. Si RESET recibe un pulso BAJO, las salidas son forzadas a Q = 0 y /Q = 1 Si SET recibe un pulso BAJO, las salidas son forzadas a Q = 1 y /Q =0 Si las dos entradas reciben pulsos BAJOS, las salidas son forzadas a Q = 1 y /Q = 1 Este último cambio normalmente se considera como no deseado, ya que el principio básico es que las salidas siempre estén invertidas (Aunque en ciertos casos especiales, nosotros podríamos utilizar este efecto).Entonces, la tabla de verdad del Registro Básico NAND es la siguiente:
Registro Básico con compuertas NOR
La conexión del Registro Básico NOR es exactamente igual al del Registro NAND, pero los cambios en sus salidas son completamente diferentes, A continuación se ilustran las dos tablas de verdad para hacer el comparativo entre una y otra.Tabla de verdad del Registro Básico NOR 7
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Tabla de verdad del Registro Básico NAND
Agregando pulsadores u otras compuertas en las entradas, los usos más comunes para el Registro Básico NAND o NOR son: Eliminadores de ruido para pulsadores mecánicos. Sistemas de Encendido (ON)/Apagado (OFF) con dos pulsadores para diversos circuitos digitales y/o análogos. Sensores de movimiento mecánico, (Fin o Inicio de carrera de una puerta por ejemplo). Control Digital de otros circuitos. Y otras 373929273736 Aplicaciones dependiendo de tu IMAGINACIÓN.
Señ Señales les de Relo Relojj (CL (CLOCK) y FF con contro trolados por Relo Reloj j
Hasta ahora hemos visto que un Registro Básico tiene dos variables de entrada y responde de manera predecible a ellas, pero ¿Qué podíamos hacer si necesitáramos otra variable de control control?? ¿Cómo podríamos hacer que el registro actúe cuando sea conveniente para nosotros, y no al momento de cambiar sus entradas?Todos los sistemas digitales tienen básicamente dos formas de operación: Operación en modo ASÍNCRONO.En este modo, las salidas cambian de manera automática siguiendo las órdenes de las entradas. Operación en modo SÍNCRONO.En este modo, las salidas cambian siguiendo las ordenes de las entradas, pero sólo cuando una señal de control, llamada RELOJ (CLOCK, CLK, CP) es aplicada al registro. Los circuitos digitales ASÍNCRONOS son muy complicados en lo que a diseño y reparación se refiere, ya que, al encontrarnos con una falla en un circuito de 10 registros interconectados, el rastreo de los cambios en todas las compuertas nos provocaría un severo dolor de DOCENTE: Dr. UTRILLA SALAZAR DARÍO | FIEE 2016-II
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cabeza.Los circuitos digitales SÍNCRONOS son más fáciles de diseñar y reparar, debido a que los cambios de las salidas son eventos "esperados" (ya que fácilmente podemos saber el estado de cada una de las entradas o salidas sin que estas cambien repentinamente), y los cambios dependen del control de una sola señal aplicada a todos los registros, la señal de RELOJ.La señal de reloj es una onda cuadrada o rectangular, los registros que funcionan con esta señal, sólo pueden cambiar cuando la señal de reloj hace una transición, También llamados "flancos", por lo tanto, la señal de reloj sólo puede hacer 2 transiciones (o Flancos): F lancos): La Transición con pendiente positiva (TPP) o Flanco positivo (FP).Es cuando la señal de reloj cambia del estado BAJO al estado ALTO. La Transición con pendiente negativa (TPN) o Flanco Negativo (FN).Es cuando la señal de reloj cambia del estado ALTO al estado BAJO. Principales características de los FF sincronizados por Reloj. Todos los FF cuentan con una entrada con el rótulo (RELOJ, CLOCK, CLK, CP) y un distintivo círculo para saber como debe ser la señal activa. Los que no tienen círculo, son sincronizados por una TPP, los que cuentan con un círculo son sincronizados por una TPN. Todos los FF cuentan con entradas de control, que determinan el cambio que van a tener las salidas, al igual que en los Registros básicos, pero estas entradas no pueden modificar las salidas arbitrariamente, sólo podrán hacerlo cuando el FF reciba su transición activa. Resumiendo, Las entradas de control del FF nos permiten saber cómo van a cambiar las salidas, pero sólo la señal de Reloj podrá hacer efectivo este cambio. Constantes de tiempo de Establecimiento y de Retención
La siguiente figura nos indica cómo están compuestos los dos detectores de Transiciones. Detector de Transiciones Positivas (TPP)
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Circuito Detector de Transiciones Negativas
Las figuras nos muestran del lado izquierdo de la línea verde el pin de entrada de Reloj del FF, el lado derecho nos muestra el circuito interno del FF.La diferencia entre CK y CK se debe al retraso en la propagación que cualquier compuerta tiene, desde que se aplica una señal en la entrada, hasta que esta se refleja en al salida. Esta diferencia en tiempo, nos permite obtener un pulso de salida solamente cuando ocurre la transición para la que están diseñados, y por lo tanto accionar el FF. Registro Básico NAND tipo Síncrono
Dejaremos de lado la conexión interna de los FF, ya que para nuestra comodidad, todos podemos encontrarlos en forma de circuitos integrados,, así que nos ocuparemos solamente de su integrados funcionamiento.La siguiente figura nos muestra un Registro Básico Sincronizado por una señal de reloj. Es la forma más básica de un FF controlado por la señal de reloj. (La falta del círculo en la entrada de CLK significa que sólo será activa en los TPP) (Sólo se muestra la salida Normal (Q), ya que como dijimos, la salida negada siempre es inversa)
Flip Flop tipo "J-K"
Este FF es uno de los más usados en los circuitos digitales, y de hecho es parte fundamental de muchos circuitos avanzados como contadores y registros de corrimiento, que ya vienen integrados en un chip.Este FF cuenta con dos entradas de datos J y K, su función es en principio la misma que el Registro básico NAND o NOR, pero con la diferencia que DOCENTE: Dr. UTRILLA SALAZAR DARÍO | FIEE 2016-II
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la condición en las entradas J = 1, K = 1, a diferencia del Registro NAND, que generaría una salida errónea o no deseada, en un FF J-K, obliga a las salidas a conmutar su estado al opuesto (Toggle) a cada pulso del reloj. Esto lo convierte en un tipo de FF muy versátil.Tabla de verdad de un FF tipo J-K síncrono.
Observando la tabla de verdad observamos los cambios que provoca en sus salidas este FF: Si J y K = 0, no hay cambios en las salidas. Si J = 1, y K = 0, se forzan las salidas a Q = 1, /Q = 0 Si J = 0, y K = 1, se forzan las salidas a Q = 0, /Q = 1 Si J = 1, y K = 1, las salidas conmutan su estado hacia el siguiente a cada pulso del reloj (Toggle) Flip Flop tipo "D" (Datos, Data)
A diferencia de los FF tipo J-K, el FF tipo "D" (Datos, Data) sólo cuneta con una entrada para hacer el cambio de las salidas. A cada pulso del reloj (dependiendo si el FF utiliza una TPP o una TPN) el estado presente en la entrada "D" será transferido a la salida Q y /Q.Tabla de verdad de un FF tipo "D"
Una de las aplicaciones de mayor uso para este tipo de FF es al de la transferencia de datos de forma paralela, conectando varios FF tipo "D" a X número de bits, podemos hacer que la información de todos los bits pase inmediatamente a la salida de cada FF con sólo un pulso de reloj. 11
Entradas asíncronas en los FF
Como ya hemos visto, cada FF tiene entradas que pueden cambiar el estado de las salidas de manera sincronizada con el pulso de reloj, pero DOCENTE: Dr. UTRILLA SALAZAR DARÍO | FIEE 2016-II
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¿Dónde quedaron nuestras entradas asíncronas? ¿Es posible seguir usando estas entradas en FF síncronos?La respuesta está en los FF síncronos de cualquier tipo que poseen entradas asíncronas, esto añade dos pines más de control a nuestros FF, los conocidos SET y RESET (Los cuáles pueden ser activos en el estado ALTO o BAJO). Entonces tenemos FF síncronos (Tipo "J - K", o tipo "D" ) con un par de entradas que no dependen en ningún momento del pulso de Reloj. Haciendo una combinación perfecta de entradas que controlan las salidas de manera automática (Asíncronas) o controladas por un pulso de reloj (Síncronas).La siguiente figura nos muestra los símbolos de los FF Tipo "J - K" y "D" "D " con sus entradas asíncronas.
Tabla de verdad del FF Tipo "J - K" con entradas Asíncronas
(Las "X" significan que no importa el estado actual de esa entrada).(El FF tiene una entrada de Reloj que funciona con TPP)(Las entradas asíncronas con activas ALTAS)
El funcionamiento básico sigue siendo el mismo, pero las salidas serán forzadas a ALTO o BAJO, si se activan las entradas Asíncronas correspondientes (SET, RESET) sin importar el estado de las entradas "J - K" o CLK. 12
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Tabla de verdad del FF Tipo "D" con entradas Asíncronas
(Las "X" significan que no importa el estado actual de esa entrada).(El FF tiene una entrada de Reloj que funciona con TPP)(Las entradas asíncronas con activas ALTAS)
El funcionamiento básico sigue siendo el mismo, pero las salidas serán forzadas a ALTO o BAJO, si se activan las entradas Asíncronas correspondientes (SET, RESET) sin importar el estado de la entrada "D" o CLK. Con esto termina este pequeño tutorial de Flip-Flops, espero que las dudas hayan encontrado una respuesta satisfactoria, y que la información aquí contenida sea de gran utilidad para el lector. EL CONTADOR DIGITAL
En electrónica es bastante frecuente verse necesitado de contabilizar eventos y por tanto se requiere utilizar un contador, en nuestro caso se tratará de un contador electrónico digital. Un contador electrónico básicamente consta de una entrada de impulsos que se encarga de conformar (escuadrar), de manera que el conteo de los mismos no sea alterado por señales no deseadas, las cuales pueden falsear el resultado final. Estos impulsos son acumulados en un contador propiamente dicho cuyo resultado, se presenta mediante un visor que puede estar constituido por una serie de sencillos dígitos de siete segmentos o en su caso mediante una un a sofisticada pantalla de plasma. Empezaremos por considerar un circuito de entrada que nos permita tomar la señal motivo del conteo, para lo cual hemos de pensar en la forma de tomar la señal a medir. Para que el mencionado circuito sea lo más universal posible:
Entrada de alta impedancia (Z). El circuito no debería absorber demasiada señal para no inducir errores. Dicha señal, la deberemos escuadrar de forma segura.
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El circuito constará de un separador de corriente continua mediante un condensador ceramico de baja capacidad (47nf/400V), para detectar las señales de alta frecuencia si es el caso, la salida se conectará a un diferenciador constituido por una puerta lógica, para una mayor seguridad dicha puerta será un disparador Schmitt (trigger Schmitt). Si utilizamos un transistor, éste debe ser de alta velocidad.
Fig. 1 El circuito de la figura 2, representa la entrada descrita, en la figura 3, más elaborada, se aprecia el circuito de entrada completo que puede servirnos en la mayoría de los casos, en la figura 4, se presenta un nuevo circuito con mejores prestaciones al que se le a añadido el mencionado disparador Schmitt formado por la puerta de alta velocidad 74HCT14 (6 inversores Schmitt). En el cual resaltamos el punto (A) ya que en él los impulsos detectados aún no estan totalmente escuadrados.
Fig.
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Fig.
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Fig. 4 En la figura 2, se pueden apreciar dos componentes, el condensador separa la tensión continua y la resistencia eleva la impedancia lo suficiente para nuestro cometido. En la figura 3, se propone un circuito que utiliza un transistor como seguidor de emisor con un limitador de tensión a 6V mediante el diodo zener, al que le sigue un nuevo transistor separador que mejora la salida, permitiendo así, una alimentación con un margen bastante amplio. En la figura 4, los limitadores de tensión son los dos diodos D1 y D2, su punto común como se aprecia es conectado a la base de un transistor mediante un divisor de tensión, y la salida del seguidor de emisor, nos da la señal que utilizaremos para el contador, no obstante, se ha intercalado un inversor o puerta trigger para escuadrar al máximo dicha señal. DOCENTE: Dr. UTRILLA SALAZAR DARÍO | FIEE 2016-II
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Anteriormente vimos cómo detectar y escuadrar los impulsos que posteriormente se han de contar. Ahora, trataremos el que es el corazón del contador propiamente dicho, es decir, la parte del circuito que se encarga de contar, almacenar y acumular cada pulso al siguiente de la cuenta anterior y si es el caso cambiar de decada. El circuito básico que se use, dependerá de la tecnología disponible, esto lo podemos apreciar mejor en la tabla siguiente: FAMILIA TIPO
TTL CMOS HCTLS
Relación V/C
74LS192 + velocidad + consumo CD4510B - velocidad - consumo 74HCTLS192 + velocidad - consumo
Atendiendo a que la velocidad es muy importante y en cualquier momento se puede requerir esta capacidad, nos centraremos en la opción de la serie 74HCTLS192 o en su defecto por la 74LS192 ya que se trata del mismo dispositivo, lo único que cambia es el consumo, la tensión de trabajo y poco más. El dispositivo 74HCTLS192, constituye un contador asíncrono reversible con entrada paralela, preparado para efectuar el conteo decimal en código binario BCD. Para cargar las salidas a un determinado estado, se aplican los datos a las entradas Da, Db, Dc y Dd y se aplica el nivel bajo L a la patilla 11 ' load', esta operación de carga es independiente del reloj y del estado del contador. En la figura 1, se muestra la disposición de las patillas como se puede ver.
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Fig. 1
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El circuito se completará añadiendo 3 puertas NAND correspondientes a un 74HCTLS00, una de ellas conectada como inversor y unos pocos elementos como 1 pulsador 4 preselectores, 1 conmutador y unas resistencias de 1k5 y ¼ W. También se puede hacer que el contador se ponga a una determinada cuenta de forma automática
Fig. 2 Esquema del contador para 1 dígito. Como se desprende del circuito para incrementar el número de dígitos, tan solo habrá que añadir tantos contadores como dígitos se deseen y conectarlos en serie, prescindiendo de las subsiguientes puertas de los nuevos contadores y conectando todas las patillas de carga al mismo pulsador de igual forma que las patillas de PAC. Por otra parte se encuentran los convertidores de BCD a 7 segmentos, compuesto por un dispositivo de la serie CMOS por ser el más tipico al igual que por ser compatible con los HCT IV.
DESARROLLO DEL PROYECTO
4.1. DESCRIPCION DE LA NECESIDAD
Diseñar e implementar un sistema de control de entrada y salida de visitantes a familiares hospitalizados en una clínica, durante el horario de visitas, las áreas de visitas para los familiares para este caso el número máximo de visitantes es de 10 personas. Tener las siguientes consideraciones para la implementación:
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En la entrada se debe evidenciar el número de visitantes que ha ingresado a través de display siete segmentos indicando si se puede permitir el acceso de mas visitantes o no. Al momento de la llegada del visitante, si hay disponibilidad se autoriza la entrada y automáticamente se incrementara el número de visitantes en el piso. Cuando un visitante de cualquier piso salga debe evidenciar en el display, su disponibilidad para un nuevo visitante. En la entrada de la clínica se debe evidenciar en led de color verde; si no hay disponibilidad, se debe evidenciar a través de un led de coloro rojo. Recuerde que si no hay disponibilidad para el acceso de visitantes en el piso, no se debe permitir su acceso.
4.2. DIAGRAMA DE BLOQUES
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ENTRADA VISITANTE
CADA INGRESO EL CONTADOR CRECE
DISPLAY EN A=10
NO
PERMANECE ENCENDIDO EL
SI
LED VERDE
PISO CON CUPOS PARA INGRESO
ENCIENDE LED ROJO
PISO SIN CUPOS PARA INGRESO
SALIDA
CONTADOR DECRECE
4.3. MATERIALES
Transistor 2N3904 2 Display siete segmentos Integrado 74LS08 (AND) Integrado 74LS192 Timer 555 Integrado 7447 Switch 2 LED Resistencia 1M, 100K, 10K, 330 Capacitor 0.22uF
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V.
IMPLEMENTACION
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2
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K
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4 0 0 R 1
k 2 0 R 1
k 3 0 R 1
A D A R T N E
A D I L A S
DOCENTE: Dr. UTRILLA SALAZAR DARÍO | FIEE 2016-II
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