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文档简介
1、程控有源滤波器设计 摘要:滤波器广泛应用于数字信号处理、通信、自动控制领域,但设计可变宽频带有源滤波器则比较困难。利用单片机控制参数可编程的双二阶通用开关电容有源滤波器,精确设置有源滤波器的中心频率f,品质因数Q及有源滤波器的工作方式。本系统主要分为两个部分:即程控滤波器和程控放大器。程控放大器电压增益为40dB,通过单片机控制DA进行分压,可精确实现要求的10dB步进,误差小于0.5%,通带为100Hz-500KHz,输入电压峰峰值范围为10mV,在输入范围内无明显失真。由MAX264为核心的滤波器,可设置为高通、低通滤波器。通过单片机直接给出控制频率,使-3dB截止频率在1KHz-20KH
2、z内可调,步进1KHz,误差小于1%。整个系统以52单片机为控制核心,电路简单,性能稳定,且具有较高精度,滤波参数调节通过单片机控制,较为方便。关键词:程控放大器;DA 转换器的电阻网络;开关电容滤波器一、方案论证与选择题目任务要求及相关指标分析 题目要求设计并制作程控滤波器,放大器增益可设置,低通或高通滤波器通带、截止频率等参数可设置。其参考原理框图如图1所示。题目要求放大器输入正弦信号电压振幅10mV,电压增益60dB,10dB步进可调,电压增益误差不大于5%。滤波器可设置成低通或高通滤波器,-3dB截止频率在1k-20kHz范围内可调,步进1kHz。低通滤波器在2fc,高通滤波器在0.5
3、fc处总电压增益不大于30dB。制作四阶椭圆型低通滤波器,带内起伏1dB,-3dB通带为50kHz,要求放大器与低通滤波器在200kHz处的总电压增益小于5dB,-3dB通带误差不大于5%。制作一个简易幅频特性测试仪,其扫频输出信号的频率变化范围是100Hz200kHz,频率步进10kHz。经分析,本系统的设计主要分以下部分:可变增益放大器,高通滤波器,低通滤波器,四阶椭圆低通滤波器,有效值检波。难点在于放大器增益误差5%,四阶低通椭圆滤波器的设计。二、方案的比较与选择1、程控放大部分的方案设计与选择方案一:如上图所示,将运算放大器调整为40dB 固定放大倍数作为前级放大,输出信号经由若干串联
4、电阻分压分别输出1040dB 放大的信号。用单片机控制模拟开关对上述输出的信号进行切换即可实现10dB 步进。该方案实现起来非常简单,成本低廉。但由于放大倍数为40dB,即最小电阻值为总阻值的1/100,很难兼顾其精度,而电阻均只能取其标称值,且阻值精度一般不高,不可避免引入一系列误差,再加上模拟开关的阻值受环境因素影响较大,系统整体精度无法很好的控制。方案二:如上图所示,用单片机控制数字电位器改变运算放大器反馈电阻值,从而改变运算放大器闭环的放大倍数。由于是改变放大器的放大倍数,使得在低倍数放大时,可接受较大幅度的输入信号。由于数字电位器的抽头数一般较多,可实现更小的步进。但数字电位器由于两
5、端电阻的存在,使得控制字与实际电阻值在一定程度上呈非线性。且数字电位器阻值误差较大,因此该方案对软件编写要求较高,且软件通用性很差。方案三(选用方案):在本套方案将放大器固定为40dB 增益,再通过DA 转换器的电阻网络进行分压后输出。DA 转换器的电阻网络可由单片机进行控制,且精度非常高,在本套设计中使用TI 公司的12 位DA 转换器TLV5618,其转换精度可达到14096,完全满足要求。而放大器使用固定的电阻接成40dB 放大,因而可以保证在整个通带内增益不变,稳定性较好,且容易实现。因而最后选定本套方案作为最终程控增益部分的方案。2 、程控滤波部分的设计方案与选择方案一: 先按照传统
6、模拟滤波器的方法设计一个符合要求的模拟低通(或高通)滤波器,再用数字电位器代替其中固定电阻,利用单片机控制数字电位器改变其阻值,以达到调节滤波参数的目的,最后用运算放大器接成减法器对原信号与滤波信号进行求和处理便可得到相应的高通(或低通)输出。该方案成本低廉,实现起来也较为简单,由于模拟滤波器设计已经很成熟,有现成的资料可供查阅。但是系统精度很低,首先由于滤波器的滤波参数与待调电阻往往不是简单的线性关系,因此对电阻值误差比较敏感,其次,数字电位器的精度不是很高,虽然10位的数字电位器可以实现1024 抽头,但是阻值误差较大,因此会给系统带来更大误差,不能满足设计要求。方案二:该方案中采用数字滤
7、波的方法,先用AD 对信号进行数字化,再经由DSP 或者FPGA 进行FFT 变换、滤波,最后由DA 输出为模拟信号。该方案不仅具有很高的精度,而且滤波器参数设计极为灵活,不仅能方便调节滤波器各种参数,甚至连滤波器种类、阶数等都可方便调节,功能极其强大。但是整套设备成本太过昂贵,且实现较为复杂,对硬件知识以及软件编程都有很高的要方案三(选用方案): 利用开关电容原理制成的集成模拟滤波器芯片,可由外部振荡器控制开关电容的频率达到改变滤波参数的目的。我们用单片机代替外部晶振或其他震荡器进行频率输出,以实现滤波参数可控。整套设备成本低廉,电路简单且使用集成芯片,因此性能稳定,且具有较高精度,滤波参数
8、调节通过单片机控制,较为方便。在实际设计中使用的美信公司的MAX264 通用滤波器芯片,可实现低通、高通、带通的切换,频率范围为1Hz100KHz,在实际使用中误差小于0.5%,可以满足设计要求。因此采用本方案作为最后的程控滤波方案。3、时钟发生模块 DDS 设计方案与选择DDS技术是一种把一系列数字量形式的信号通过DAC转换成模拟量形式的信号合成技术。它的基本工作原理是在采样时钟信号的控制下,通过由频率码控制的相位累加器输出相位码,将存储于只读存储器中的波形量化采样数据值按一定的规律读出,经 DA转换和低通滤波后输出正弦信号。其主要组成为:相位累加器、相位相加器、波形存储器、数字相乘器和DA
9、 转换器。如图1所示,它的输出频率可以由下面公式推:f=k* fclk /2其中:f为输出频率,k为频率控制字,fclk为时钟频率,N为相位累加器的位数。目前使用最广泛的一种DDS方式是利用高速存储器作查找表,然后通过高速DAC产生用数字形式存入的正弦波。频率控制字相位累加器波形存储器 数模转换器低通滤波器 方案一:自行设计的基于FPGA芯片的方案可编程逻辑器件以其速度高,规模在,可编程,以及有强大EDA软件支持等特性,十分适合实现DDS技术。就生成信号质量而言,利用FPGA也能输出较高质量的信号。但却由于其价格昂贵,并且有许多专用DDS芯片, 因此采用FPGAX芯片不一定是我们首选的。方案二
10、:采用高性能DDS单片电路AD9850的方案AD9850 是AD 公司采用先进技术,推出的具有高集成度DDS 电路的器件,它内部包含高速、高性能D/ A 转换器及高速比较器,可作为全数字编程控制的频率合成器和时钟发生器。外接精密时钟源时,AD9850 可以产生一个频谱纯净、频率和相位都可以编程控制且稳定性很好的模拟正弦波。这个正弦波能够直接作为基准信号源及频率信号源或通过其内部高速比较器转换成方波输出并作为灵敏时钟产生器。AD9850接口控制简单,可以用8位并行口或串行口经相位等控制数据,32位频率控制字。因此具有较高的性价比。综合比较以上二种方案,我们决定采用方案二进行设计。高速比较器合成信
11、号时钟始终控制数据控制数据低通滤波器D/A转换器相位寄存器波形存储器相位全加器 控制字寄存器6倍参考 时钟倍乘器 三、方案的理论分析与计算1、开关电容滤波器开关电容滤波器以有源滤波为例,其基本原理是以带高速开关的电容器替代滤波器中的电阻元件来作为等效可控电阻,如图所示。T1,T2为受频率远高于信号频率的两路互为反相的同步时钟控制的等效开关。由于两开关交错导通,所以电容C1会不断地把从电压源得到的电荷转移到电容C2上,由此可计算出每个时钟周期内节点1,2间的平均电流为,当Tc足够小时,就可以得到等效积分时间常数,通过改变时钟周期Tc和电容比值C2/C1就可以改变影响滤波器频率响应的时间常数,达到
12、控制的目的。2、 低通滤波器我们用MAX297实现低通滤波器。开关电容滤波器MAX297可以设置为8阶低通椭圆滤波器,阻带衰减为-80dB。时钟频率与通带频率之比为50:1,改变时钟频率,截止频率范围可调为0.1Hz50kHz。该芯片外围电路简单,无需外接电阻。题目要求低通滤波器在2fc处放大器与滤波器的总电压增益不大于30dB,故两阶滤波器足以达到要求。使用MAX297时,当信号频率和采样频率同频,且相位合适时,开关电容组在电容上各次采到相同的幅度为信号幅值的信号,相当于输入信号为直流的情况。因此在采样电容上产生一个直流信号,使滤波器输出一个直流电平。同理,当信号频率为采样频率的整数倍时,也
13、会出现相同的现象。要去除这种现象,须限制输入信号的范围,使之小于开关电容滤波器的采样频率(时钟频率)。所以在使用MAX297时,在其前面,要增加模拟低通滤波器,把采样频率及其以上的高频信号有效地排除。故我们又用一级MAX297,截止频率设置为49kHz。其中时钟频率设置为2.2MHz,时钟频率与通频带之比实际值为47.7。在其后面,也要增加低通滤波器,其截止频率为150kHz,以滤去信号的高频分量,使波形更加平滑。3、高通滤波器 我们用MAX262实现高通滤波器。此芯片内置两个两节可编程的滤波器,可单独设置64级中心频率和128级Q值。它可以设置为高通、低通、带通和陷波滤波器,中心频率fo和Q
14、值可以通过外接引脚编程设置。Q值与带内最大增益G(V/V)之间的关系为,为使带内尽量平坦,应该使,代入上面的关系式,可得,故可将滤波器的Q值定在0.707左右。题目要求高通滤波器在0.5fc处放大器与滤波器的总电压增益不大于30dB,故两阶滤波器足以达到要求。由于时钟信号的存在,开关电容滤波器相当于一个采样系统,满足奈奎斯特采样定理。由于MAX262内部对时钟信号clk进行了二分频,故clk/4附近及以上的信号都存在频谱混叠现象,从而使输出波形产生失真。为了解决这个问题,需要加大clk与截止频率的比值,使输入信号的频段远离时钟信号所在频段。故我们将设置为最大值197.92,改变时钟频率即可实现
15、截止频率1kHz.kHz的步进可调。我们在高通滤波器后,增加一级有源RC低通滤波器,其截止频率为330kHz,滤除信号的高频信号,使输出波形更加平滑。用模拟开关选择输出信号时,不宜采用CD4051/2/3,其工作电压为015V,与运放电压、信号电压不匹配,74HC4051更不可用。应当选用DG系列和MAX系列。 4、椭圆低通滤波器 椭圆低通滤波器是基于椭圆函数低通响应,利用归一化思想设计的低通滤波器。其衰减特性可表示为,其中由波纹确定,为n阶的椭圆函数,对于偶数n阶的椭圆函数,其极点和零点可表示为:其中m=n/2。所以对于四阶的椭圆函数,在阻带和通带内会存在相等的波纹,而且阻带内的陷波点数为1
16、个。因此椭圆滤波器在通带和阻带内特性都允许起伏,而且具有最好的截止特性,但它对元件值的要求特别严格。所谓归一化,就是把已知滤波器的所有电抗元件都除以一个频率标度系数(FSF),把该滤波器的响应标定到(移到)不同的频率范围。利用归一化思想设计,通过选定椭圆滤波器的最小阻带衰减分贝数,出现的最低阻带频率,通带波纹以及陡度系数,查表得到一组归一化参数,最后利用公式和对实际参数进行换算,其中Z为滤波器的特征阻抗,以完成对椭圆滤波器的设计。题目要求设计四阶椭圆低通滤波器,要求截止频率为50KHz,带内起伏1dB,同时200KHz处放大器与滤波器总增益小于5dB。所以根据题目要求,参考电子滤波设计手册(【
17、美】阿瑟 B 威廉斯) 3中表12-56 CO4,20(=20%,即0.18dB的波纹)。因为As=fs/fc=200k/50k=4,所以4,查表得16。60dB-5dB=55dB,查表得22。取=20,=3.151时,相应的归一化参数如下:取无源滤波器的端间匹配阻抗为,截止频率。经计算结果如下:。实际电路中再将上述值转换成标称值。5、总体设计 硬件结构:采用89S51系列的单片机,由P1口的低六位来对262进行数据和地址的输入,地址和数据都通过373锁存器来写入262,输入信号通过一级反相放大器后送入262的输入端,262的时钟采用石英晶,262的内部A和B两个单元级联成四阶滤波,用P0和P
18、2口来控制和显示。采用6264芯片扩展数据存储器,由于74LS138译码器使用51的P2口的高三位进行地址译码,则6264的地址范围为0000H1FFFH。74LS138译码器的输出Y2作为8279芯片的片选信号,经74LS373锁存后的地址线A0送到8279的A0地址输入端。51单片机的晶振选用12MHz,其地址锁存信号ALE经4分频后,得到频率为500KHz的信号送到8279的CLK输入端,为8279的时钟信号,8279采用中断方式,占用中断0。89C51的WR端与138译码器的Y1输出信号相与后送到262的WR端,262的数据和地址连接到P0口的低六位,51的ALE送入262的时钟端,即
19、262的时钟信号为2MHz,滤波器的信号范围为15KHz-50KHz,通过改变数据来实现上限截止频率的变化。多种滤波输出由4052模拟开关来选择。模拟开关4052是两位控制端,是一个两组同时四选一的芯片,用单片机的P1.0和P1.1来选择。电路有一个故障复位电路,用X5045来实现故障复位,同时X5045还带有4KEEPROM,我们可以将预先实现的滤波特性参数写入,通过单片机来采集不同的按键实现不同的滤波,这样会使程序更加简单。 软件部分:通过编程来设置其下限截止频率来改变其滤波特性,显示部分采用7279来驱动数码管,来显示下限截止频率。具体的编程这里不在详细实现。四、程控滤波器硬件设计1、
20、放大器电路 两级Op07级联放大,数字电位器调节电阻达到程控放大。芯片介绍: Op07是低功耗,提供高精度的三运放仪表放大器。供电正负2.2518V,120dB的高共模抑制比,静态电流只有700uA。增益带宽积很高(G=1,B=1.3MHz;G=10,B=700KHz;G=100,B=200KHz;G=1000,B=20KHz)。2、 低通滤波器电路 低通滤波器前级接低通滤波器以排除时钟及其倍频干扰,后接模拟低通滤波器平滑滤波。3、 高通滤波器电路 高通滤波器后接模拟低通滤波器,使输出波形更加平滑。4、 四阶椭圆低通滤波器电路原先方案:考虑到实验室没有电感,因此改换方案,实验良好5、 时钟电路
21、6、 电源模块7、 D/A转换电路8、 按键和显示模块 按键和显示电路采用芯片7279来实现中心频率的设置,设置范围最大为99999Hz,7279芯片是一个按键和显示芯片,它可以节省单片机的并口资源。中心频率的设置采用5个按键,一个是设置键,按下此间键时5个数码管中的第一个开始闪烁,一个是左移键,按下此键闪烁的数码管向左移动一位,一个是数字加,按下此键闪烁数码管的数字加一,一个是减键,按下此键闪烁数码管的数字减一,最后一个是确定键,按下此键设置的中心频率就会送入MAX262,从而将会改变输出频率的中心频率。五、程控滤波器软件设计1软件总体介绍系统的软件部分遵循结构化和层次化的设计原则,由一个主
22、程序及若干子程序构成。其中子程序主要完成(1)放大器增益设置(2)滤波器参数设置,改变时钟频率设置截止频率(3)幅频特性测试,产生DDS的频率控制字控制频率步进(4)人机交互。主程序则通过调用子程序来对它们之间的时序进行控制,从而使整个程序得以有条不紊地运行。2程序流程图程序以按键中断为主线,以各项功能作为分支,详细流程图如下:六、测试数据及分析1、 使用仪器 计算机 直流稳压稳流电源 数字存储示波器 数字信号源 万能表2、 测试方案 本系统需要测试的数据主要是放大器的电压增益和滤波器-3dB的截止频率。(1)放大器测试方法: 放大器输入端输入峰值为10mV的正弦信号,将放大器增益设置为40d
23、B,从100Hz开始增大输入信号的频率,用示波器测试放大器的通频带。然后将输入信号的频率分别固定为100Hz、1kHz、40kHz,预置放大器增益,用低频毫伏表测试其实际增益,计算增益误差,并检验增益步进。(2) 滤波器测试方法: 将放大器增益设置为40dB,滤波器设置为低通滤波器,预置滤波器的截止频率,用低频毫伏表和示波器测试其实际截止频率,计算相对误差,并检测截止频率步进和处的电压总增益。高通滤波器的测试方法同上。椭圆滤波器的测试,将放大器的增益设置为40dB,用示波器测量其通带起伏,-3dB截止频率和200KHz的总电压增益。3、 实际测量数据及分析(1)放大器增益的测试结果表输入信号频
24、率100Hz预置增益(dB)102030405060实际增益(dB)11.21120.67229.93942.91346.88359.824 相对误差12.11%3.36%0.2%0.728%0.63%0.29%40kHz预置增益(dB)102030405060实际增益(dB)10.73820.34130.04941.78654.10366.086 相对误差7.38%1.7%0.16%0.447%0.821%1.14% 放大器的通频带为: 0370kHz。放大器增益误差小于5%,满足题目要求。(2)滤波器截止频率的测试 由于买不到max262芯片并且比较贵,因此我们尝试使用别的电路代替,但效果
25、不是很好。七、实验总结由于实验器材缺少和时间短暂,对于所学知识的使用也不能得心应手,只较好的完成了题目中放大器基部分,其他部分都只是雏形,同时通过仿真发现,对于超高频滤波器来说,集成的电路比分立的效果要好,同时我们可以很容易的将MAX262做成各种滤波器,外围的电路简单,硬件结构也简单。通过这次设计我深刻的体会到了知识需要我们不断的积累,学习,实践。附录:1、程序#include #include #include #include #include /函数声明;void xianshi(void); /该程序将使5个数码管显示数字0;void write_word(void); /7279处
26、理函数;void write_byte(void); /写一个字到7279,带数据的指令;void read_key(void); /读键盘函数;void delay_ms(unsigned char time);void delay(unsigned int shijian); /延时;void start_dog(void);void reset_dog(void); /看门狗复位;void qiehuan1(void);void qiehuan2(void);void qiehuan3(void);void qiehuan4(void); /晶体切换函数;void chushicx(vo
27、id);void gengxin(void);void zhongxin_40(void);void zhongxin_60(void);void zhongxin_68_5(void);void zhongxin_77_5(void); /中心频率改变函数;/端口定义;sbit CS =P10;sbit CLK =P11;sbit data_data =P12;sbit KEY =P13;sbit wr=P24;sbit axt1 =P14;sbit axt2 =P15;sbit axt3 =P16;sbit axt4 =P17;sbit DOG_CS =P36;sbit DOG_SO =P
28、37;sbit DOG_SCK=P22;sbit DOG_SI=P23;sbit A=P20;sbit C=P21;/输入输出变量定义;unsigned char bdata command_out; /单字节指令unsigned char jiashu;unsigned char jianshu;unsigned char zuoyi;unsigned char shanshuo;unsigned int bdata data_out; /双字节指令;sbit data_outbit =data_out7;unsigned int bdata cunchu;unsigned char bda
29、ta key_in; /返回键盘;sbit key_in_0 = key_in0; /接收键盘号时使用unsigned char xincanshu;unsigned char i,j,dizhi,shuju;/主程序;void main (void) /系统初始化; start_dog(); P0=0xff; delay(120); chushicx(); if(xincanshu=1) gengxin(); while(1) unsigned char huan; reset_dog(); xianshi();if(axt4=0)huan=huan+;if(huan=0) zhongxin
30、_40();if(huan=1) zhongxin_60();if(huan=2) zhongxin_68_5();if(huan=3) zhongxin_77_5();if(huan=4)huan=0;if(axt1=0) qiehuan1(); if(axt2=0) qiehuan2(); if(axt3=0) qiehuan4(); if(axt1=0&(axt2=0|axt3=0) qiehuan4();if(KEY=1) read_key(); if(key_in=0) /设置; data_out=0x8801; write_word(); delay_ms(200); else j
31、iashu=0; if(key_in=1)/上加;data_out=0x8000+jiashu;write_word(); delay_ms(200);jiashu=jiashu+;elsejianshu=jiashu; if(key_in=2)/下减;data_out=0x8000+jianshu; write_word();jianshu=jianshu-;jianshu=9;elsezuoyi=1;if(key_in=3)/左移; data_out=0x8801+zuoyi; write_word(); zuoyi=zuoyi+; if(key_in=4)/确定; xincanshu=1
32、; jiashu=0; zuoyi=0;cunchu=data_out&0x00ff; /调用函数;void zhongxin_40(void)unsigned char shuju,dizhi; wr=1; shuju=0x01; /送模式字; dizhi=0x00; P0=(dizhi2)+shuju; wr=0; delay(100); wr=1; dizhi=0x01; shuju=0x02; P0=(dizhi2)+shuju; wr=0; delay(100); wr=1; dizhi=0x02; shuju=0x03; P0=(dizhi2)+shuju; wr=0; delay
33、(100); wr=1; dizhi=0x03; shuju=0x03; P0=(dizhi2)+shuju; /送中心频率字; wr=0; delay(100); wr=1; dizhi=0x04; shuju=0x00; P0=(dizhi2)+shuju; wr=0; delay(100); wr=1; dizhi=0x05; shuju=0x00; P0=(dizhi2)+shuju; wr=0; delay(100); wr=1; dizhi=0x06; shuju=0x02; P0=(dizhi2)+shuju; wr=0; delay(100); wr=1; dizhi=0x07
34、; shuju=0x01; /送Q值字; P0=(dizhi2)+shuju; /MAX262通道A的数据; wr=1; shuju=0x02; dizhi=0x08; P0=(dizhi2)+shuju; wr=0; delay(100); wr=1; dizhi=0x09; shuju=0x00; P0=(dizhi2)+shuju; wr=0; delay(100); wr=1; dizhi=0x0A; shuju=0x02; P0=(dizhi2)+shuju; wr=0; delay(100); wr=1; dizhi=0x0B; shuju=0x01; P0=(dizhi2)+sh
35、uju; wr=0; delay(100); wr=1; dizhi=0x0C; shuju=0x03; P0=(dizhi2)+shuju; wr=0; delay(100); wr=1; dizhi=0x0D; shuju=0x00; P0=(dizhi2)+shuju; wr=0; delay(100); wr=1; dizhi=0x0E; shuju=0x01; P0=(dizhi2)+shuju; wr=0; delay(100); wr=1; dizhi=0x0F; shuju=0x01; P0=(dizhi2)+shuju; /MAX262通道B的数据; wr=1;void zh
36、ongxin_60(void)unsigned char shuju,dizhi; wr=1; shuju=0X01; dizhi=0x00; P0=(dizhi2)+shuju; wr=0; delay(100); wr=1; dizhi=0x01; shuju=0X00; P0=(dizhi2)+shuju; wr=0; delay(100); wr=1; dizhi=0x02; shuju=0x00; P0=(dizhi2)+shuju; wr=0; delay(100); wr=1; dizhi=0x03; shuju=0x02; P0=(dizhi2)+shuju; wr=0; de
37、lay(100); wr=1; dizhi=0x04; shuju=0x00; P0=(dizhi2)+shuju; wr=0; delay(100); wr=1; dizhi=0x05; shuju=0x00; P0=(dizhi2)+shuju; wr=0; delay(100); wr=1; dizhi=0x06; shuju=0x02; P0=(dizhi2)+shuju; wr=0; delay(100); wr=1; dizhi=0x07; shuju=0x01; P0=(dizhi2)+shuju; /MAX262通道A的数据; wr=1; shuju=0x02; dizhi=0
38、x08; P0=(dizhi2)+shuju; wr=0; delay(100); wr=1; dizhi=0x09; shuju=0x00; P0=(dizhi2)+shuju; wr=0; delay(100); wr=1; dizhi=0x0A; shuju=0x02; P0=(dizhi2)+shuju; wr=0; delay(100); wr=1; dizhi=0x0B; shuju=0x00; P0=(dizhi2)+shuju; wr=0; delay(100); wr=1; dizhi=0x0C; shuju=0x03; P0=(dizhi2)+shuju; wr=0; de
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