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MEDICIONES ELÉCTRICAS 1 (3D1)

Introducción a la operación de osciloscopios

Departamento de Ingeniería Eléctrica

Universidad Nacional de Mar del Plata

Carrera: Ingeniería Eléctrica / Electromecánica

Mayo de 2018

Mediciones Eléctricas 1 (3D1) - 2018 - Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electromecánica – FI UNMDP


Un osciloscopio es un instrumento

que permite visualizar, analizar y

medir señales variables en el

tiempo.

Existen dos categorías principales

de osciloscopios:

Osciloscopios analógicos (basados

en el principio del Tubo de Rayos

Catódicos)

Osciloscopios digitales (basados

en el muestreo de la señal

analógica a valores digitales y su

posterior procesamiento)

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Osciloscopio analógico

tradicional

Osciloscopio digital moderno

Osciloscopios analógicos y digitales



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Principales aplicaciones:

Los osciloscopios analógicos, entre otras funciones, pueden utilizarse para:

Determinar el periodo y la amplitud de una señal

Determinar la componente AC y la componente DC de una señal

Medir la diferencia de fase entre dos señales de igual frecuencia

Determinar la secuencia de fases en un sistema trifásico

Identificar transitorios

Analizar formas de onda (por ejemplo, si un componente defectuoso en un circuito está distorsionando la señal evaluada)

Medir el nivel de ruido presente en una señal




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Principales aplicaciones:

Los osciloscopios digitales, además de poseer las funciones de los osciloscopios analógicos, incorporan más funciones que los convierten en herramientas superiores para muchas aplicaciones, entre ellas:

Brindar múltiples posibilidades para la visualización y análisis de eventos

Realización de mediciones en forma automática

Almacenar los eventos y formas de onda en memoria para su posterior análisis

Exportar / importar datos hacia / desde PC

Decodificar una trama de bits en un canal de un sistema de comunicaciones

Realizar operaciones matemáticas complejas con las señales a su entrada




Efecto termoiónico: principio del CRT

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El osciloscopio analógico se basa principalmente en el

efecto termoiónico para crear un haz de electrones que

puede ser usado para reproducir visualmente una señal

eléctrica en función del tiempo en una pantalla. En

esencia, dicho efecto se logra provocando una

diferencia de potencial entre un conductor calentado

denominado cátodo y otro conductor denominado

ánodo, tal que circule corriente a través de un circuito.

Dicho sistema cátodo - ánodo es referido como “tubo de

rayos catódicos” (en siglas, CRT: Cathode Ray Tube)

Principio de funcionamiento de osciloscopios analógicos




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Los electrones emitidos por el cátodo

caliente se aceleran y alinean

formando un haz en lo que se

denomina haz de electrones. Este haz

finaliza su trayectoria colisionando

contra una pantalla de vidrio de

plomo, la cual es recubierta con

fósforo tal que la colisión del haz de

electrones se haga visible.




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Se observará una deflexión del haz

de electrones, si éste se hace pasar

entre dos placas sometidas a una

diferencia de potencial. Este efecto

es aprovechado para la generación

de una base de tiempo (deflexión

horizontal del haz) y para la

deflexión vertical del haz en forma

proporcional a la señal de entrada.



Generación de la base de tiempo

Se logra aplicando una señal con forma de onda de diente de sierra con frecuencia

conocida al par de placas de deflexión verticales.

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A , D C B

Señal de barrido aplicada a placas

verticales (Base de tiempo)

Visualización del barrido de la

pantalla, con frecuencia impuesta

por la señal de barrido



Acción conjunta deflexión horizontal – deflexión vertical

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Base de tiempo

Señal de entrada

Visualización de la

señal de entrada en

función del tiempo en

la pantalla.



Pantalla del osciloscopio

Se encuentra conformada

por una retícula,

generalmente de 8

divisiones verticales por

10 divisiones horizontales.

Cada división se subdivide

típicamente en 5 sub-

divisiones.

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División

Sub-División



Principio de funcionamiento de osciloscopios analógicos 12

Sistema de disparo (trigger)

Debe lograrse que cada barrido comience en un mismo punto de la señal en relación a su periodo, con el fin de que la imagen visualizada en la pantalla sea estable y estática. Esta es la función del sistema de disparo (trigger).

Uno de los métodos más comunes consiste en comparar una señal con un nivel de disparo prefijado. Cuando el valor de la señal iguala al valor del nivel con la pendiente previamente configurada (positiva o negativa), se crea un pulso de disparo el cual, en caso de que el barrido anterior ya haya finalizado, disparará un nuevo barrido. De esta forma, se asegura la sincronización entre la señal y el barrido de la pantalla para una correcta visualización.

Pulsos de disparo

Nivel de disparo

Señal de entrada

(Inicio de barridos horizontales)

CONTROLES BÁSICOS DE CONFIGURACIÓN VERTICAL



Configuración vertical

VOLTS / DIV

POSITION

COUPLING

AC

DC

GND

INV

ALT/CHOP

ADD

BW-LIMIT

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VOLTS / DIV

Controla la amplitud o cantidad de Volts que representa cada división vertical de la escala.

VAR (ajuste continuo) Este ajuste (denominado descalibrado) permite variar la escala vertical en forma continua.

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POSITION

Controla la posición vertical de

la señal de cada canal en la

pantalla.

(Ajuste continuo)

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COUPLING

(Modo de Acoplamiento)

AC

DC

GND

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COUPLING

DC

La señal es visualizada con sus componentes AC + DC

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COUPLING

AC

Sólo es visualizada la componente AC de la señal. La componente DC es filtrada intercalando un capacitor en serie con la entrada del canal. Este modo de acoplamiento resulta útil por ejemplo cuando la amplitud de la señal original (con sus componentes AC+DC) supera el rango de visualización que brinda el osciloscopio, y ya no es posible ajustar la posición vertical de la señal para visualizarla con un ajuste vertical determinado en la pantalla.

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COUPLING

GND Se visualiza el nivel de la referencia de tensión o tierra (referida como GND , Ground), lo cual es útil para realizar mediciones de tensión en comparación a dicho nivel de referencia.

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VERTICAL MODE (modo de visualización vertical)

CH1 (Muestra la señal del canal 1)

CH2 (Muestra la señal del canal 2)

DUAL (Muestra las señales de los canales 1 y 2 al mismo tiempo)

XY (Modo XY)

ADD (Suma)

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(tirar hacia afuera)




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ADD (suma)

Señal del canal 1

Señal del canal 2

Señal resultante de la suma

de ambas señales

Permite sumar las señales de entrada. Combinado con la función INVERT (la cual

muestra a la señal de uno de los canales multiplicada por (-1)) se puede mostrar una

tercera señal, resultante de la resta entre las señales de ambos canales)




Modo de visualización de dos

señales (osciloscopios de único

trazo)

ALT (alternado)

CHOP (troceado)

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ALT (alternado)

Se barre un canal por

barrido, en forma

alternativa.

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CHOP (troceado) Se dibujan ambos canales en el mismo barrido, conmutando entre ambos canales a alta velocidad.

Modo de visualización de dos señales (osciloscopios de único trazo)

Barrido i

(canal 1)

Barrido i+1

(canal 2)

Canal 1

Canal 2




BW-LIMIT (Bandwidth Limit / Limitación de Ancho de Banda)

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Esta función suele encontrarse en osciloscopios con mayores valores de ancho de banda y

permite “filtrar” ruido de alta frecuencia presente en la señal para mejorar su

visualización.

Visualización de una señal

con ruido de alta

frecuencia en un

osciloscopio de ancho de

banda 350 MHz y la

función BW Limit

desactivada.

Visualización de la misma

señal con la opción BW

Limit activada (AB

reducido a 20 MHz)

para reducir la respuesta

en alta frecuencia y con

ello la magnitud de ruido

visualizada en la señal.


CONTROLES BÁSICOS DE CONFIGURACIÓN HORIZONTAL



SEC / DIV

POSITION

MAG X10

MODE XY

TIME BASE

MAIN

DELAYED

MIXED

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Configuración horizontal



SEC / DIV

Control del tiempo en

segundos que representa

cada división de la escala

horizontal.

Es posible un ajuste en

forma continua utilizando el

control VAR (DLY. TIME POS)

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POSITION ↔

Controla la posición

horizontal de la/s

señal/es visualizadas en

la pantalla. (Ajuste

continuo)

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MAG X10 (Magnificación horizontal)

Algunos osciloscopios analógicos incorporan la opción de ampliación horizontal. Normalmente se expande en X5 o X10 a la base de tiempo, sin embargo, debe tenerse en cuenta que la exactitud de la base de tiempos con esta función suele ser inferior con respecto al modo normal.

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MAG X10 (Magnificación horizontal)

31




Modo XY

Muestra un gráfico de la

señal del canal 1 en la

escala vertical versus la

señal del canal 2 en la

escala horizontal.

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Modo XY

Si ambas señales son senoidales

puras, con el Modo XY se

formarán patrones gráficos

claramente reconocibles en la

pantalla en el caso en que la

relación entre las frecuencias

de las señales sea un número

entero, o su diferencia de fases

corresponda a un ángulo

notable.

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TIME BASE

MAIN

Selección y ajuste

de la base de

tiempo principal

(Con el ajuste VAR es

posible efectuar un

ajuste continuo de la

base de tiempo)

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TIME BASE

DELAYED

Selección y ajuste

horizontal de la base

de tiempo retardada.

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TIME BASE

MIXED

Selección y ajuste de

la base de tiempo

principal y

retardada para ser

visualizadas en un

mismo barrido en la

pantalla.

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TIME BASE

MIXED

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Punto de inicio de base de tiempo principal

Punto de inicio de base de tiempo retardada


CONTROLES BÁSICOS DE CONFIGURACIÓN DE DISPARO (TRIGGER)



LEVEL & SLOPE

(+) (RISING)

(-) (FALLING)

MODE

NORMAL

AUTO

SOURCE

CH 1

CH 2

LINE

EXT

HOLD OFF

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Configuración de disparo (trigger)



LEVEL & SLOPE

(+) (pendiente positiva)

(-) (pendiente negativa)

Configuración del nivel y

pendiente de disparo.

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LEVEL & SLOPE (Nivel y pendiente)

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Pulsos de disparo

Nivel de disparo

Señal de entrada

Nivel: 0%

Pendiente: (+)

Punto inicial

del barrido




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Pulsos de disparo

Nivel de disparo

Señal de entrada

Nivel: 0%

Pendiente: (-)

(actualización de

pantalla / inicio de

barrido horizontal)

Punto inicial

del barrido





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Pulsos de disparo

Nivel de disparo

Señal de entrada

Nivel: +50%

Pendiente: (+)

Punto inicial

del barrido





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Nivel de disparo

Señal de entrada

Nivel: +125%

Pendiente: (+)

No se generan pulsos de

disparo…

Si modo de disparo: N0RMAL Pantalla en negro

Si modo de disparo: AUTO Disparo automático de barridos por

temporizador interno y visualización de señal no sincronizada con los barridos.

NORMAL AUTO





SOURCE

CH 1 (canal 1)

CH 2 (canal 2)

Selecciona la señal de

disparo como la señal de

entrada del canal 1 o del

canal 2.

LINE

EXT

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LINE (disparo por frecuencia de línea)

Se obtienen pulsos de disparo a la frecuencia de la tensión de alimentación del osciloscopio (50Hz). Este modo de disparo resulta útil con señales con alto nivel de ruido (múltiples puntos de disparo posibles en cada período de la señal, para un nivel de disparo determinado), y cuya frecuencia es múltiplo de la frecuencia de línea.


Ejemplo de una señal con alto nivel de ruido y

cuya frecuencia está impuesta por la

frecuencia de línea



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EXTERNAL (Disparo controlado externamente)

Utiliza la señal conectada a la entrada EXT TRIG (External Triggering) para obtener los pulsos de disparo. Es utilizada por ejemplo, cuando se quiere visualizar señales con complejas formas de onda. Si la fuente que genera dichas señales a evaluar posee una salida de pulsos sincronizada con la frecuencia de la señal de salida, dicha salida de pulsos (la cual suele denominarse “SYNC”) puede conectarse a la entrada EXT TRIG a efectos de sincronización con los barridos del osciloscopio.




HOLD OFF

Ajuste de tiempo de espera forzado entre

barridos, evitando el disparo en cada uno

de los pulsos de la señal, para su correcta

visualización.

(Ajuste continuo)

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Ejemplo de una señal en la que debe ser

utilizado el ajuste Hold-Off:

𝑣(𝑡)

𝑡



HOLD-OFF Deben dispararse los barridos solamente en el primero de los pulsos de cada tren. En

caso contrario, en la pantalla se visualizaría una superposición no coherente de pulsos.

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Puntos de disparo

Nivel de disparo




HOLD-OFF

Visualización incorrecta (sin hold-off)

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Visualización correcta (con hold-off)




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HOLD-OFF

Tiempo de Hold-Off

La función Hold-Off

básicamente permite

ajustar un tiempo de

espera al final de un

barrido, en el que se

inhibe el comienzo de un

nuevo barrido para

evitar visualizaciones

incorrectas de ciertos

tipos de señales.

CONECTORES DE ENTRADA / SALIDA



Canales de entrada

CH1

CH2

CAL

EXT TRIG

GND

COMP TEST

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Conectores de entrada / salida



CANALES DE ENTRADA

Canal 1

Canal 2

(Conectores BNC de entrada de ambos canales)

La impedancia de entrada en ambos canales consta de una resistencia de 1MΩ en paralelo con una capacitancia de pequeño valor que suele depender del ancho de banda del osciloscopio (en este caso, 25 pF, en un osciloscopio con un ancho de banda de 20MHz)

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1MΩ 25 pF




CAL (terminal de

calibración de la sonda

pasiva atenuadora de

tensión)

Proporciona una señal cuadrada

generada internamente en el

osciloscopio (típicamente de

frecuencia 1 kHz y amplitud 2

Volts pico a pico) con el fin de

calibrar la sonda de tensión en

su configuración 10X.

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CAL (terminal de calibración de la sonda pasiva de tensión atenuadora)

Al conectar la sonda pasiva de tensión (en configuración atenuadora) en la

pantalla debe observarse una señal cuadrada perfecta. Si éste no es el caso,

debe ajustarse el tornillo de regulación en el conector BNC o en el cuerpo de

la sonda hasta lograr que la señal tenga dicha forma de onda.

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Sonda subcompensada Sonda sobrecompensada Sonda correctamente compensada




GND (Ground)

Conector que provee una conexión

adicional al potencial de tierra

(referencia de ambos canales y

tierra de alimentación del

osciloscopio)

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COMP. TEST

Muestra la curva “corriente vs.

tensión” de un componente

(capacitor, transistor, etc.) al

conectarse éste al terminal COMP.

TEST y GND.

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CONSIDERACIONES SOBRE CONEXIONES



Sonda pasiva de tensión (1-10X)

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Cable coaxil

Conector BNC - macho

Punta de referencia

(ground lead)

Switch conmutador entre modo 1X (sonda no atenuadora) y 10X

(sonda atenuadora en 10 veces)

Clip retráctil

(entrada señal)

Consideraciones sobre conexiones



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Las cubiertas / referencias de los conectores BNC de los canales de entrada se encuentran generalmente puenteadas entre sí y conectadas a la tierra de la alimentación del osciloscopio.

Por lo tanto, debe tenerse la precaución de no conectar las puntas de referencia de ambas sondas pasivas de tensión a potenciales diferentes entre sí.

Además, en mediciones de circuitos con alimentación referenciada a tierra, debe procurarse no conectar la punta de referencia de la sonda pasiva de tensión a un punto con potencial respecto a tierra.




Medición de una señal en un circuito con alimentación flotante (no referenciada a tierra)

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Ejemplo:

Placa adquisidora

alimentada por una

batería de 9V




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Fuente de alimentación

flotante




Medición de una señal en un circuito con alimentación referenciada a tierra

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Lazo de baja impedancia formado en el

conjunto osciloscopio – sonda - circuito

bajo prueba – fuente de alimentación, al

conectar la punta de referencia de la

sonda pasiva de tensión a un punto con

potencial respecto a tierra.


MEDICIONES BÁSICAS CON OSCILOSCOPIOS ANALÓGICOS



Medición del valor de amplitud de una señal

Ejemplo)

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Mediciones básicas con osciloscopios analógicos

Configuración:

Horizontal: 0,5 ms / div

Vertical: 1.0 V / div

Se observa que el valor pico a pico

abarca 5.8 divisiones. Como el ajuste

vertical es 1.0V/div , entonces

la mejor estimación será:

𝑉𝑃𝑃 = 5.8 𝑑𝑖𝑣 ∗1.0 𝑉

𝑑𝑖𝑣= 5,8 [𝑉]



Medición de periodo - frecuencia de una señal

Ejemplo)

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Configuración:

Horizontal: 0,5 ms / div

Vertical: 1.0 V / div

Se observa que la distancia entre picos

positivos abarca 7.6 divisiones horizontales,

por lo que la mejor estimación del período T

de la señal visualizada vendrá dada por:

𝑇 = 7.6 𝑑𝑖𝑣 ∗0.5𝑚𝑠

𝑑𝑖𝑣= 3.8 [𝑚𝑠]

Nota: Para una mejor medición, es recomendable medir el tiempo

entre pasos por cero, utilizando el menor valor de ajuste vertical

y el mayor valor de ajuste horizontal posibles.



Medición de diferencia de fase entre dos señales

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Ajustar la posición vertical de las señales

de ambos canales hasta que sus niveles de

referencia coincidan (para esta tarea es

útil emplear el acoplamiento GND).

Ajustar la configuración vertical tal que

ambas señales se visualicen con la mayor

amplitud posible.

Ajustar la configuración horizontal para

que la diferencia de tiempo entre pasos

por cero análogos abarque la mayor

parte de la pantalla.

Medir el tiempo de diferencia 𝑡𝑑 entre

pasos por cero análogos.

𝜙 = 𝜙2 − 𝜙1 = 360°𝑡𝑑

𝑇

Señal canal 1

Señal canal 2 𝑡𝑑

𝑇 La mejor estimación para la diferencia de fases entre la señales vendrá dada por:



Medición de diferencia de fase entre dos señal

Modo XY

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Posicionar la línea de GND de cada canal en

la línea horizontal central para luego pasar

al modo de acoplamiento AC.

Configurar el modo de visualización vertical

en Modo XY.

Escalar apropiadamente cada canal, tal que

la elipse visualizada abarque la mayor parte

de la pantalla.

Medir las amplitudes A y B indicadas.

Escala vertical (y): Señal canal 1

Escala horizontal (x): Señal canal 2

La mejor estimación para la diferencia de fases entre la

señales vendrá dada por:

|𝜙| = arcsin𝐵

𝐴



Medición de diferencia de fase entre dos señal

Ajuste continuo de la base de tiempo

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Ajustar la base de tiempo en forma continua

hasta conseguir que la mitad del período de

una de las señales abarque las 10 divisiones

de la escala de tiempo.

Contar las N divisiones entre las señales, por

ejemplo, entre pasos por cero análogos.

La mejor estimación para la diferencia de fases entre

la señales vendrá dada por:

𝜙 = 𝑁 ∗1

20∗ 360° = 18° ∗ 𝑁

𝑁

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