书名：数字电子技术项目教程（第2版）pdf/doc/txt格式电子书下载

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作者：谢兰清,黎艺华,张钰玲、等编

出版社：电子工业出版社

出版时间：2013-06-01

书籍编号：30467375

ISBN：9787121205309

正文语种：中文

字数：67227

版次：2

所属分类：教材教辅-中职/高职

版权信息

书名：数字电子技术项目教程（第2版）

作者：谢兰清　黎艺华　张钰玲　等

ISBN：9787121205309

版权所有 · 侵权必究

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前　　言

《数字电子技术项目教程》教材为“十一五”期间广西高等学校重点教材立项项目，2010年2月由电子工业出版社正式出版，其配套教学课件荣获第七届广西高等教育软件大赛评比三等奖。该教材打破传统学科体系，构建能力本位、项目主体、任务中心的课程模式，围绕项目和任务展开课程内容，全面培养学生的专业能力、方法能力和社会能力等综合职业能力。教材彰显了以人为本，以教师为主导、学生为主体的教育理念，出版三年以来，获得使用师生的一致好评，取得了良好的教学效果， 学生的动手操作能力，分析问题、解决问题以及综合应用能力明显提高。

《数字电子技术项目教程》（第2版）教材根据教学及教学改革的需要，在第1版的基础上进行修订和完善。如降低一些项目的设计难度，增加一些课外制作项目等。

本教材在如下方面体现出高职教育的特色：

（1）将理论教学与实践教学融于一体，适合边教、边学、边做的教学方法。全书共安排了9个项目，围绕项目和任务展开课程教学内容及相关技能实训，通过项目化、模块化的课程实现理论与实践的密切结合。

（2）着眼应用。特别是集成电路强调以应用为主，对集成电路内部分析不做要求，并且削减分立电路，突出集成电路。

（3）把握理论上的“度”。数字电子技术是当前发展较快的学科之一，其发展主要体现在数字电路器件与系统的设计方法、制作技术，以及对数字信号处理的方法上。对于数字电子技术部分的课程教学，本书力图以“必需、够用”为度，从了解技术的发展趋势出发，简单介绍可编程逻辑器件。

（4）可操作性强。本教材的实践项目不仅实用性强，而且可操作性强。通过编者的教学实践表明，高职学生都能够在教师的指导下，很好地完成各项目的电路设计与制作工作，并使之实现相应的电路功能。

本书的参考学时如下：

本教材由谢兰清、黎艺华担任主编，并共同策划了全书内容及组织结构，其中黎艺华编写项目4、7、8、9，张钰玲编写项目6，左仁合编写项目5，谢兰清编写绪论、项目1、 2、3，并由谢兰清负责全书统稿。

本教材由广西经贸职业技术学院院长张翔教授担任主审，张翔教授在百忙之中对全部书稿进行了详细的审阅，并提出了许多宝贵意见，在此表示衷心感谢！本教材在编写过程中，还得到了行业企业专家柳州电子研究所所长李达高级工程师的支持，他对教材项目的选择和提炼进行了具体的指导，在此也表示衷心感谢！由于编者水平有限，时间仓促，书中难免有疏漏之处，殷切希望使用本教材的师生和读者批评指正。

编　者

2013年2月

绪 论

一、数字信号和模拟信号

在我们周围存在着许多物理量，我们分析它们的信号波形可以发现有两种性质不同的物理量（见图0.1和图0.2）。

图0.1　模拟信号

图0.2　数字信号

1.模拟信号

在时间、数值上均连续的信号。即，数值随时间作连续变化的信号。典型的代表有温度、速度、压力、磁场、电场等物理量通过传感器变成的电信号。

2.数字信号

在时间和数值上均离散的信号。即，在时间上是不连续的，在数值上也是不连续的信号。典型的代表是方波。

二、数字电路和模拟电路

1.模拟电路

用于传递、处理模拟信号的电子线路。其输入信号为模拟信号，输出信号也为模拟信号。模拟电路已经渗透到各个领域，如无线电通信、工业自动控制、电子仪器仪表、以及文化生活中的电视、录音、录像等家用电器中（也有采用数字电路的）。

2.数字电路

用于传递、处理数字信号的电子线路。其输入信号为数字信号，或输出信号为数字信号。即，能够实现对数字信号的传输、逻辑运算、控制、记数、寄存、显示及脉冲信号的产生和转换。数字电路被广泛地应用于数字电子计算机、数字通信系统、数字式仪表、数字控制装置及工业逻辑系统等领域。

例如，对某一机械零件生产线的产品进行自动计数。如图0.3(a)所示，当一个零件从电光源与光电传感器之间穿过时，光电传感器被遮挡一次，相应产生一个电信号；没有零件通过时，光电传感器不产生信号。电信号经过放大、整形处理，波形如图0.3(b)所示。将该矩形脉冲送入计数器，计数器累计的脉冲个数就是产品传送的个数。计数器中的数值再经寄存、译码，最后通过显示器直接显示出来。

在上述简单的例子中，已涉及脉冲信号的放大整形、脉冲信号的发生、控制、计数、寄存、译码、显示等典型的数字单元电路。数字电路包含的内容是广泛的，本书除主要研究上述各种基本单元电路外，还将介绍常用的数字部件，如存储器、数/模转换器和模/数转换器等。

图0.3　产品自动计数示意图

三、数字电路的优点和应用概述

1.数字电路的优点

（1）便于集成生产，通用性强，使用方便，如计算机。

（2）工作可靠性高、抗干扰能力强，如数字通信。

（3）易于存储、加密、压缩、传输和再现，如光盘和数字通信。

2.数字电路的应用

目前，数字电路在数字通信、电子计算机、自动控制、电子测量仪器等方面已得到广泛的应用。

（1）数字通信。用数字电路构成的数字通信系统与传统的模拟通信系统比较，不仅抗干扰能力强，保密性能好、适于多路远程传输，而且还能应用于计算机进行信息处理和控制，实现以计算机为中心的自动交换通信网。

（2）电子计算机。以数字电路构成的数字计算机处理信息能力强、运算速度快、工作稳定可靠，便于参与过程控制。

（3）自动控制。数字电路构成的自动控制系统具有快速、灵敏、精确等特点，如数控机床、电厂参数的远距离测控、卫星测控等。

（4）电子测量仪器。用数字电路构成的测量仪器与模拟测量仪器比较，不仅测量精度高、测试功能强，而且便于进行数据处理，实现测量自动化、智能化。

以上仅概括说明了数字电路的一些应用。实际上，数字电路的应用是广泛的。随着数字电路应用领域的扩大，数字电子技术将更深入地渗透到国民经济各个部门中去，并产生越来越深刻的影响。因此，数字电子技术是现代电子工程技术人员必须掌握的一门技术基础知识。

四、数字电路的分类

（1）按电路结构不同，可分为分立电路和集成电路两种。

分立电路由二极管、三极管、电阻、电容等元件组成。集成电路则通过半导体制造工艺将这些元件做在一片芯片上。

随着集成电路技术的不断发展，具有体积小、重量轻、功耗小、价格低、可靠性高等特点的集成电路会逐步代替体积大、可靠性不高的分立电路。

集成电路按集成程度的不同可再细分为小、中、大、超大规模集成电路。

每片小规模集成电路（SSI）含有10～100个元件，如逻辑门、触发器等逻辑单元电路；每片中规模集成电路（MSI）含有100～1000个元件，如计数器，译码器、编码器、数据选择器、寄存器、算术运算器、数值比较器、转换电路等逻辑部件；每片大规模集成电路（LSI）含有1000～10000个元件，如中央控制器、存储器、转换电路等逻辑系统；每片超大规模集成电路（VLSI）含有超过1万个元件，如单片机等高集成度的数字逻辑电路。

（2）按制作工艺不同，可分为双极型和单极型两类。

双极型电路即TTL型，是晶体管—晶体管逻辑门电路的简称，主要由双极型三极管组成。TTL集成电路生产工艺成熟，产品参数稳定，工作可靠，开关速度高，因此应用广泛。单极型电路即MOS型，是金属—氧化物—半导体场效应管门电路的简称，主要由场效应管级成，优点是低功耗，抗干扰能力高。

（3）按结构和工作原理不同，可分为组合逻辑电路和时序逻辑电路两类。

如果一个逻辑电路在任何时刻的输出状态只取决于当时的输入状态，与电路原来的状态无关，则该电路称为组合逻辑电路。如果在任一时刻，电路的输出状态不仅取决于当时的输入状态，还与前一时刻的状态有关，则该电路称为时序逻辑电路。

五、学习方法

根据本课程的特点和专业需要，在学习过程中应注意以下几点。

1.注重掌握基本概念、基本原理、基本分析和设计方法

数字电子技术发展很快，各种用途的电路千变万化，但它们具有共同的特点，所包含的基本原理、基本分析和设计方法是相通的。我们要学习的不是各种电路的简单罗列，不是死记硬背各种电路，而是要掌握它们的基本概念、基本原理、基本分析与设计方法。只有这样才能对给出的任何一种电路进行分析，或者根据要求设计出满足实际需要的数字电路。

2.抓重点，注重掌握功能部件的外特性

数字集成电路的种类很多，各种电路的内部结构及内部工作过程千差万别，特别是大规模集成电路的内部结构更为复杂。学习这些电路时，不可能也没有必要一一记住它们，主要是了解电路结构特点及工作原理，重点掌握它们的外部特性（主要是输入和输出之间的逻辑功能）和使用方法，并能在此基础上正确地利用各类电路完成满足实际需要的逻辑设计。

3.注意理论联系实际

数字电子技术是一门实践性和应用性很强的学科，许多应用电路的设计与制作经过理论分析和计算得到的设计结果还必须搭建实际电路进行测试，以检验是否满足设计要求。因此本书均从最基本的应用实例出发，由实际问题入手，通过指导同学们完成各项工作任务，学习相关知识和理论，引出相关概念及相关电路，将技能训练和理论学习相结合，以达到学习要求。

项目1　简单抢答器的制作

能力目标

（1）会识别和测试常用TTL、CMOS集成电路产品。

（2）能完成简单抢答器的制作。

知识目标

了解数字逻辑的概念，理解与、或、非三个基本逻辑关系。熟悉逻辑代数的基本定律和常用公式。掌握逻辑函数的正确表示方法。熟悉逻辑门电路的逻辑功能，了解集成逻辑门的常用产品，掌握集成逻辑门的正确使用。

1.1　【工作任务】 简单抢答器的制作

工作任务单

（1）小组制订工作计划。

（2）识别抢答器原理图，明确元件连接和电路连线。

（3）画出布线图。

（4）完成电路所需元件的购买与检测。

（5）根据布线图制作抢答器电路。

（6）完成抢答器电路功能检测和故障排除。

（7）通过小组讨论完成电路的详细分析及编写项目实训报告。

简单抢答器实物图和电路图如图1.1、图1.2所示。

图1.1　简单抢答器实物图

图1.2　简单抢答器电路图

1.实训目标

（1）了解集成逻辑门芯片的结构特点。

（2）体验由集成逻辑门实现复杂逻辑关系的一般方法。

（3）掌握集成逻辑门的正确使用。

2.实训设备与器件

实训设备：数字电路实验装置1台

实训器件：双四输入与非门74LS202片，六非门74LS04（或CH40106） 1片，发光二极管4只，1kΩ电阻8个，按钮开关4个，面包板、配套连接线等。

3.实训电路与说明

（1）逻辑要求。用集成门电路构成简易型四人抢答器。A、B、C、D为抢答操作按钮开关。任何一个人先将某一开关按下且保持闭合状态，则与其对应的发光二极管（指示灯）被点亮，表示此人抢答成功；而紧随其后的其他开关再被按下，与其对应的发光二极管则不亮。

（2）电路组成。实训电路如图1.2所示，电路中采用了两种不同的集成门电路，其中，74LS20为双四输入与非门，可以实现4个输入信号与非的逻辑关系。74LS04为六非门，也称为反相器，可以实现非逻辑关系。

（3）电路的工作过程。初始状态（无开关按下）时，a、b、c、d端均为低电平，各与非门的输出端为高电平，反相器的输出则都为低电平（小于0.7V），因此全部发光二极管都不亮。当某一开关被按下后（如开关A被按下），则与其连接的与非门的输入端变为高电平，该与非门的输出端与其他3个与非门的输入端相连，它输出的低电平维持其他3个与非门输出高电平，因此其他发光二极管都不亮。

4.实训电路的安装与功能验证

（1）安装。按正确方法插好IC芯片，参照图1.2所示连接线路。电路可以连接在自制的PCB（印制电路板）上，也可以焊接在万能板上，或通过“面包板”插接。

（2）功能验证。

① 通电后，分别按下A、B、C、D各键，观察对应指示灯是否点亮。

② 当其中某一指示灯点亮时，再按其他键，观察其他指示灯的变化。

③ 分别测试IC芯片输入、输出管脚的电平变化，自拟表格记录测试结果。用A、B、C、D表示按键开关，“×”表示开关动作无效；L1、L2、L3、L4表示4个指示灯的状态。按键闭合或指示灯亮用“1”表示，开关断开或指示灯灭用“0”表示。

5.完成电路的详细分析及编写项目实训报告

完成电路的详细分析及编写项目实训报告。

6.实训考核

简单抢答器的制作工作过程考核表如表1.1所示。

表1.1　简单抢答器的制作工作过程考核表

思考

逻辑门电路有多少种？在实际应用中我们应该如何选择逻辑门？例如，在上述实训电路中能否用其他门电路来实现？不同类型的门电路具有哪些特点？

1.2　【知识链接】 逻辑代数的基本知识

逻辑代数又称为布尔代数，是英国数学家乔治•布尔于1847年首先提出的。它是用于描述客观事物逻辑关系的数学方法。逻辑代数是分析和设计逻辑电路的主要数学工具。在逻辑代数中的“0”和“1”不表示数量的大小，只表示事物的两种对立的状态，即两种逻辑关系。例如，开关的通与断，灯的亮与灭，电位的高与低等。

1.2.1　逻辑变量和逻辑函数

下面以逻辑事件实例来介绍逻辑变量和逻辑函数的基本概念。如图1.3所示为常见的控制楼道照明的开关电路。两个单刀双掷开关A和B分别安装在楼上和楼下。上楼之前，在楼下开灯，上楼后关灯；反之下楼之前，在楼上开灯，下楼后关灯。开关与灯的逻辑关系见表1.2。

图1.3　控制楼道照明的开关电路

设A、B分别代表上、下楼的两个开关，当A、B的闸刀合向上侧时为逻辑0，合向下侧时为逻辑1；F表示灯，灯亮时为逻辑1，灯灭时为逻辑0，则开关A、B与灯F之间的逻辑关系可用表1.3表示，这种表征逻辑事件输入/输出之间全部可能状态的表格称为逻辑事件的真值表。

表1.2　开关与灯的逻辑关系

表1.3　开关电路真值表

1.逻辑变量

在真值表中的变量A、B、F均为仅有两个取值的变量，这种两值变量就称为逻辑变量。

用来表示条件的逻辑变量就是输入变量（如A、B、C、…）；用来表示结果的逻辑变量就是输出变量（如Y、F、L、Z、…）。字母上无反号的叫原变量（如A），有反号的叫反变量（如）。

2.逻辑函数

在现实生活中的一些实际关系，会使某些逻辑量的取值互相依赖，或互为因果。例如，实例中开关的通、断决定了发光二极管的亮、灭，反过来也可以从发光二极管的状态推出开关的相应状态，这样的关系称为逻辑函数关系。它可用逻辑函数式（也称逻辑表达式）来描述，其一般形式为：Y= f（A、B、C、…）。

1.2.2　逻辑运算

逻辑运算即逻辑函数的运算，它包括基本逻辑运算和复合逻辑运算两类。

1.基本逻辑运算

在逻辑代数中，最基本的逻辑关系有三种：与逻辑、或逻辑、非逻辑关系。相应的有三种最基本的逻辑运算：与运算、或运算、非运算。它们分别对应于三种基本的逻辑函数。其他任何复杂的逻辑运算都是由这三种基本运算组成的。下面就分别讨论这三种基本的逻辑运算。

（1）与逻辑。图1.4（a）所示是两个开关A、B和灯泡及电源组成的串联电路，这是一个简单的与逻辑电路。分析电路可知，只有当开关A和B都闭合时，灯泡F才会亮；A和B只要有一个断开或者全都断开，则灯泡灭。它们之间的逻辑关系可以用如图1.4（b）所示的真值表表示。“与”的含义是：只有当决定一事件的所有条件全部具备时，这个事件才会发生。逻辑与也叫逻辑乘。

在逻辑电路中，把能实现与运算的逻辑电路叫做与门，其逻辑符号如图1.4（c）所示。

图1.4　与逻辑电路、真值表和逻辑符号

逻辑函数F与逻辑变量A、B的与运算表达式为：

F=A•B

式中，“•”为逻辑与运算符，也可以省略。

对于多输入变量的与运算的表达式为：

F=ABCD…

与运算的输入/输出关系为“有0出0，全1出1”。

小问答

请列出具有三个输入变量的与逻辑F=ABC的真值表。

（2）或逻辑。图1.5（a）是一个简单的或逻辑电路。若逻辑变量A、B、F和前述的定义相同，通过分析电路显然可知：A、B中只要有一个为1，则F=1，即A=1、B=0，或A=0、B=1，或A=1、B=1时都有F=1；只有A、B全为0时，F才为0。其真值表如图1.5 （b）所示。因此，“或”的含义是：在决定一事件的各条件中，只要有一个条件具备，这个事件就会发生。逻辑或也叫逻辑加。

图1.5　或逻辑电路、真值表和逻辑符号

在逻辑电路中，把能实现或运算的逻辑电路叫做或门，其逻辑符号如图1.5（c）所示。逻辑函数F与逻辑变量A、B的或运算表达式为：

F=A+B

式中，“+”为逻辑或运算符。

对于多输入变量的或运算的表达式为：

F=A+B+C+D+…

或运算的输入/输出关系为“有1出1，全0出0”。

小问答

请列出具有4个输入变量的或逻辑F=A+B+C+D的真值表。

（3）非逻辑。如图1.6（a）所示是一个简单的逻辑电路。分析电路可以知道，只有开关A断开的时候，灯泡F才亮。开关A对应于断开和闭合两种状态，灯泡F对应于亮和灭两种状态，这两种对立的逻辑状态我们可以用“0”和“1”来表示，但是它们并不代表数量的大小，只是表示了两种对立的可能。假设开关断开和灯泡不亮用“0”表示，开关闭合和灯泡亮用“1”表示，又可以得到图1.6（b）所示的真值表。从真值表可以看出，“非”的含义为：当条件不具备时，事件才发生。

在逻辑电路中，把能实现非运算的逻辑电路叫做非门，其逻辑符号如图1.6（c）所示。

图1.6　非逻辑电路、真值表和逻辑符号

对逻辑变量A进行逻辑非运算的表达式为：

F=

其中，读做A非或A反。注意在这个表达式中，变量（A、F）的含义与普通代数有本质的区别：无论输入量（A）还是输出量（F）都只有两种取值0、1，没有第3种取值。

2.复合逻辑运算

由与、或、非三种基本逻辑运算组合，可以得到复合逻辑运算，即复合逻辑函数。以下介绍常见的复合逻辑运算。

（1）与非。与非运算为先“与”后“非”，与非逻辑的函数表达式为：

F=

表达式称为逻辑变量A、B的与非，其真值表和逻辑符号如图1.7所示。

图1.7　与非的真值表和逻辑符号

与非运算的输入/输出关系是“有0出1，全1出0”。

（2）或非。或非运算为先“或”后“非”，或非逻辑的函数表达式为：

表达式称为逻辑变量A、B的或非，其真值表和逻辑符号如图1.8所示。

或非运算的输入/输出关系是“全0出1，有1出0”。

（3）与或非。与或非运算为先“与”后“或”再“非”，如图1.9为与或非逻辑符号。关于与或非真值表请读者作为练习自行列出。与或非逻辑的函数表达式为：

图1.8　或非的真值表和逻辑符号

图1.9　与或非逻辑符号

小问答

请列出具有4个输入变量的与或非逻辑的真值表。

（4）异或和同或。逻辑表达式表示A和B的异或运算，其真值表和逻辑符号如图1.10所示，从真值表中可以看出，异或运算的含义是：当输入变量相同时，输出为0；当输入变量不同时，输出为1。又可以表示为F=A⊕B，符号“⊕”读做“异或”。

图1.10　异或的真值表和逻辑符号

逻辑表达式表示A和B的同或运算，如图1.3所示的控制楼道照明的开关电路实例中所遇到的逻辑关系为同或运算。其真值表和逻辑符号如图1.11所示，这个真值表和实例中的表1.3是完全相同的。从真值表可以看出，同或运算的含义是：当输入变量相同时，输出为1；当输入变量不同时，输出为0。又可以表示为F=A⊙B，符号“☉”读做“同或”。

通过图1.10和图1.11中的真值表也可以看出，异或和同或互为非运算，即

图1.11　同或的真值表和逻辑符号

1.2.3　逻辑函数的表示方法

表示一个逻辑函数有多种方法，常用的有：逻辑函数表达式、真值表、卡诺图、逻辑图等。它们各有特点，又相互联系，还可以相互转换，现介绍如下。

1.逻辑函数表达式

用与、或、非等逻辑运算表示逻辑变量之间关系的代数式，叫逻辑函数表达式，例如，F=A+B，Y=A•B+C+D等。

2.真值表

在前面的论述中，已经多次用到真值表。描述逻辑函数各个变量的取值组合和逻辑函数取值之间对应关系的表格，叫真值表。每一个输入变量有0和1两个取值，n个变量就有2n个不同的取值组合，如果将输入变量的全部取值组合和对应的输出函数值一一对应地列举出来，即可得到真值表。表1.4分别列出了两个变量与、或、与非及异或运算的真值表。下面举例说明列真值表的方法。

表1.4　两变量函数真值表

例1.1 列出函数的真值表。

解：该函数有两个输入变量，共有4种输入取值组合，分别将它们代入函数表达式，并进行求解，可得到相应的输出函数值。将输入、输出值一一对应列出，即可得到如表1.5所示的真值表。

表1.5　函的真值表

例1.2 列出函数的真值表。

解：该函数有三个输入变量，共有23=8种输入取值组合，分别将它们代入函数表达式，并进行求解，可得到相应的输出函数值。将输入、输出值一一对应列出，即可得到如表1.6所示的真值表。

表1.6　的真值表

注意：在列真值表时，输入变量的取值组合应按照二进制递增的顺序排列，这样做既不易遗漏，也不会重复。

3.卡诺图

卡诺图是图形化的真值表。如果把各种输入变量取值组合下的输出函数值填入一种特殊的方格图中，即可得到逻辑函数的卡诺图。对卡诺图的详细介绍参见项目2。

4.逻辑电路图

由逻辑符号表示的逻辑函数的图形称为逻辑电路图，简称逻辑图。例如，的逻辑图如图1.12所示。

图1.12　F=的逻辑图

1.2.4　逻辑代数的基本定律

逻辑代数表示的是逻辑关系，而不是数量关系，这是它与普通代数的本质区别。逻辑代数的基本定律显示了逻辑运算应遵循的基本规律，是化简和变换逻辑函数的基本依据，这些定律有其独自具有的特性，但也有一些和普通代数相似之处，因此要严格区分，不能混淆。

在逻辑代数中只有逻辑乘（“与”逻辑）、逻辑加（“或”逻辑）和求反（“非”逻辑）三种基本运算。根据这三种基本运算可以导出逻辑运算的一些法则和定律，如表1.7所示。

表1.7　逻辑代数的基本法则和定律

1.3　【知识链接】 逻辑门电路的基础知识

1.3.1　基本逻辑门

逻辑门电路是指能实现一些基本逻辑关系的电路，简称“门电路”或“逻辑元件”，是数字电路的最基本单元。门电路通常有一个或多个输入端，输入与输出之间满足一定的逻辑关系。实现基本逻辑运算的电路称为基本门电路，基本门电路有与门、或门、非门。

门电路可以由二极管、三极管及阻容等分立元件构成，也可由TTL型或CMOS型集成电路构成。目前所使用的门电路一般是集成门电路。

最基本的逻辑关系有三种：与逻辑、或逻辑和非逻辑，与之相对应的逻辑门电路有与门、或门和非门。它们的逻辑关系、逻辑表达式、电路组成、逻辑功能及符号，如表1.8所示。

表1.8　三种基本逻辑门

小知识

晶体二极管的开关特性

（1）导通条件及导通时的特点。当二极管两端所加的正向电压UD大于死区电压0.5V时，管子开始导通，但在数字电路中，常常把UD≥

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