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电子设计竞赛及典型赛题分析
（以仪器类赛题为例）,2016.4. 12,武汉大学 赵茂泰,1．电赛命题 2．电赛培训工作 3．典型赛题分析
4．设计报告的撰写
5．调试与测评,1．电赛命题及其特点,性质：全国大学生电子设计竞赛是由教育部主办的学科竞赛之一（姓教）。
目标：以竞赛为载体，促进教育改革，尤其是实践教学和教学内容的改革；倡导理论联系实际的学风；培养学生的创新能力。
措施：全国统一命题（指挥棒）是主要措施之一。引导作用,每年正式命题之前，全国专家组都要在王越院士的指导下，本着“与时俱进”的精神，对命题方向及内容进行多次认真的讨论。,以模拟和数字电路应用技术为基本内容（涉及模-数混合电路、单片机、嵌入式系统、可编程器件等）。
命题应该是一个具备一定功能的电子系统，可以不是一个完整的产品。难度与本科毕业设计的难度相当。
共5～6题，每题侧重于某一专业，以适应不同专业的学生选用。,命题范围、类型,强调软硬结合，但以硬为主.
必须涵盖电子技术中的相关知识点（例各类放大器、振荡器、变频、调制解调等）；必须具有可测试；兼顾趣味性。
考虑学生为二、三年级，对命题专业性背景进行了一定的淡化处理。
评分体系包括功能和技术指标，主要是技术指标。为了拉开竞赛成绩的差距，某些技术指标的实现具有一定的难度。,命题特点,命题内容“与时俱进”,为了纠正学生中普遍存在的“重数字，轻模拟”的倾向，从2007年起，命题内容中加强了模拟技术的成分
为了响应国家“节能减排”的政策，从2009年起，命题中普遍增加了“功耗、性价比”两项技术指标；
为了支持高校在教学中引入新的技术，从2009年起，最小系统允许使用 DSP、嵌入式系统等MCU平台；,从2013年起，命题中又有两个新亮点：,① 模拟电路频率高端大幅度提升；
工程应用已经达到0.2THz，而高频电路课程的最高频率约30MHz，需要拉动。
命题的带宽已从06年的6MHz，攀升至15年的200MHz，实际评审结果良好。,② 推出四旋翼飞行器方面的命题。
微型无人机已成为世界航天领域重要研究方向, 世界各高校对四旋翼飞行器的研究与应用非常活跃。虽然许多学校积累还不够，这是一个方向！,熟练掌握单片机最小系统，否则系统不能工作（会用为止）。
重点掌握好各类基本电路及可编程器件的应用技术（主要培训内容）。,在以上训练的基础上，选择2～3个以上的专业方向,把基础电子电路的训练作为重点。,电子技术应用
电力电子
不要过度强调专业方向；
要把电子技术应用作为必选方向之一。,通信
自动控制,制定一个以知识点为核心的（以不变应万变）完整的培训计划 。
训练时间要予以保证（1.5年以上），注意系统性,注意循序渐进。,仪器仪表,赛前培训的基本思路：,2．电赛培训工作,电压测量类仪器
时间频率测量仪器
信号发生器
数字示波器,电子仪器种类繁多，但从学习的角度，只要掌握好４类基本仪器的原理，其他类型电子仪器的设计便不会存在大的障碍。,若能较好地掌握这４类典型电子仪器的设计，在电赛或在今后工作中遇到电子仪器设计课题时，只要分析课题的特殊要求，再学习一些相关知识，就能很快地进入设计状态。,仪器类题目培训的几个要点:,2．电赛培训工作,在进行电子仪器设计时，必须对各项技术指标（尤其是测量误差）进行认真地分析，然后对指标进行分配，并在此基础上认真选择各个部件的核心芯片。,电子仪器的价值由各项技术指标的优良程度决定；竞赛的评分体系也是以技术指标的完成程度来评价。准确理解电子仪器各项指标是做好设计的关键。
电子仪器含多项技术指标，其中最核心的是测量误差，其他技术指标基本上都与测量误差有关。对于许多测量来讲，测量工作的价值几乎全部取决于它的准确程度。,仪器类题目培训的几个要点:,2．电赛培训工作,仪器类题目培训的几个要点:,仪器类赛题是电子设计竞赛中出现最多的一类赛题，并且其他类赛题中也经常包含有电子测量的内容。
电子仪器主要用于测试其它电子系统的性能指标，因此，电子仪器对技术指标的要求相对更加严格。
基本电路的设计是仪器设计的基础。仪器类赛题的设计最终往往会化解成为一些基本电子电路的组合，因此电子仪器类赛题的训练一定要建立在基本电路设计训练的基础上。,2．电赛培训工作,,2．相关赛题分析,——— 以2014年“锁定放大器的设计”为例,在2012年、2014年16省TI杯电子竞赛中，命题组出了“微弱信号放大器”和“锁定放大器的设计”两个相关的赛题。该题知识点丰富，可以作为一个很好的赛前培训题。,内容：
(1) 题意及考点
(2) 锁定放大器设计要点
(3) 实际测评结果分析,,任务：设计制作一个用来检测微弱信号的锁定放大器,微弱信号：是指信噪比较差的信号（微弱相对噪声而言）。
锁定放大器：能提取深埋在噪声中微弱信号的一种特殊的放大器。（条件：要求被测信号与参考信号同频）,,(1) 题意及考点,核心问题：相关检测（相敏检波器及低通滤波器）,,,,,,,,被测信号必须与参考信号同频；
噪声与被测信号同频又同相的概率很小，因而能滤除噪声；
不仅对相位θ敏感，对VS和Vr也敏感。既可用于鉴相，也可用于鉴幅,设， x(t)和r(t)均为正弦波
x(t)=Vscos(0t+q)
r(t)= Vrcos(w0t)
则，相敏检波器输出：up(t)=x(t)·r(t)= Vscos(w0t+q) · Vrcos(w0t)
=0.5 Vs Vrcos(q) +0.5 Vs Vrcos(2w0t+q)
低通滤波输出： u0(t)= 0.5 Vs Vrcosq，与Vs Vr θ 三者成正比,相敏检波器——模拟乘法器,,通过移动光电传感器移位
测试方向性分布状况,用参考信号对光强度进行调制,仅仅检测出与光源强度
调制同步的分量,,,锁定放大器作为一种“电子仪器”广泛出现在一些专业实验室中。,应用举例：测量LED光源发光强度分布状态（方向特性）,,考点1：考察学生运算放大器的应用能力。涵盖滤波器、移相器、加法器、整形器、交流放大器、直流放大器等（约35分）,,（2）参考通道的输出r(t)为方波信号，r(t)的相位相对参考信号R(t)可连 续或步进移相180度，步进间距小于10度。
（3）信号通道的3dB频带范围为900Hz～1100Hz。误差小于20%。
（4）设计一个能测量被测信号S(t)幅度有效值的测量电路。误差小于10%。,(1) 题意及考点,考点2：考察学生能否在现有模电知识的基础上，快速掌握微弱信号检测原理的能力。（同时强调理论的重要性）。
应该认真研读《微弱信号检测》（高晋占）一书相关章节；
只有在理论的指导下进行设计，才能出现高水平的作品。许多制作优良的作品，因为对相关检测技术与理论理解不够准确，使作品未能达到预定要求。,考点3：考察学生运用所学知识灵活处理具体专业问题的能力
例如，在信号幅度动态范围的处理，衰减器衰减系数的 确定，以及交流放大器等的设计中，一些作品仅因为一些细节问题处理不当，影响整个作品未能达标。,,,,(1) 题意及考点,(2) 锁定放大器设计要点,相敏检波器的设计
低通滤波器的设计
衰减器衰减系数的确定
交流放大器的设计,(1) 题意及考点,2．相关赛题分析,(2) 锁定放大器设计要点,相敏检波器方式及器件的选择：
模拟乘法器式相敏检波器：例， AD630等
开关式相敏检波器：例，CD4053（采用者最多）
OPA690 (具有关断功能运放)
IRF3205 ( MOS管),,开关式相敏检波器的功能相当于参考信号r(t)幅度为±1方波时的模拟乘法器式相敏检波器。
开关式的输出信号幅度不受参考信号幅度不稳的影响，且能克服模拟乘法器的非线性，检测精度较高，是本题首选方案。
实际上，由于本题精度要求不高，两种方案都能满足要求。,相敏检波器的设计,,,开关式相敏检波器分析,x(t)为正弦： x(t)=Vscos(w0t+q),r(t)为方波：,相敏检测器输出：,低通滤波器输出：,,与Vs Vr θ 三者成正比,(2) 锁定放大器设计要点,开关式相敏检波器分析,① 令VS、Vr 值固定，鉴相。检测两个信号之间的相位差θ，
② 令θ、Vr 值固定，鉴幅。即检测被测信号的幅度VS。,显然，锁定放大器中的相敏检波器属于第二种类型的应用。,开关式相敏检波器输出：,锁定放大器中相敏检波器的设计要点：,参考信号与被测信号同频，
参考信号的幅值Vr固定并尽量大；
相位差θ值固定，且cosθ值尽量大。（θ=？）,,相敏检波器参考信号相位 θ 的选择：,为了使相敏检波器输出尽量大，选取θ=0o （cos0o=1）。,,Vr 、θ值固定。取θ=0o （cos0o=1），以使检波器输出尽量大。,但是，约有10～20% 的参赛队采取了自动移相检测方案：,每次测量都令移相电路进行0o～180o的扫描，且每步进移相一步就进行一次测量，最后取最大的输出值为测量结果。,① 测量一个数据约需1～3分钟的时间，这是不允许的；
② 由于步进移相值一般为10o，误差较大，一致性也较差。
③ 简单问题复杂化，流程复杂，故障率高。,通过与学生交流得知，这些参赛队的设计水平一般较高。但由于对锁定放大器的原理的理解存在问题，作品指标不好。,本题相敏检波器用于检幅。,(2) 锁定放大器设计要点,低通滤波器的设计,,（1）输入信号S(t)的频率为1000Hz，幅度10μV～1mV。
（2）另一信号源产生一个频率为1050～2100Hz的正弦信号作为n(t)，然后通过加法器电路实现S(t)与n(t)的1：1或1：10的叠加，并加在放大器的输入端。,题目相关要求（简写）,确定截止频率与阶数；
滤波器电路的设计（略）,,输入信号S(t)的频率为1000Hz，
干扰信号频率为1050～2100Hz。,设：x(t)为正弦波含单频噪声（单频噪声频率范围为1050Hz～2100Hz），
r(t)为正弦波（只取方波的基频，以简化分析）
x(t)= Vscos(0t+θ)+ Vncos(nt+a)
r(t)= Vrcos 0t
up(t)=x(t)·r(t)
= 0.5VsVrcosθ +
VsVrcos(20t +θ)+0.5Vncos[(n+0)t+a]+ 0.5Vncos[(n-0)t+a],共存在三组交流分量，其频率分别为：
20 的频率为 2×1000Hz=2000H
n+0 的频率为（1050Hz～2100Hz）+1000Hz = 2050Hz～3100Hz
n-0 的频率为（1050Hz～2100Hz）-1000Hz = 50Hz～1100Hz,,(2) 锁定放大器设计要点,低通滤波器的设计,,确定截止频率与阶数；,,,,结论：应该重点考虑滤除频率为 50Hz 谐波信号!!！,重点考虑频率为 50Hz 的谐波信号的滤除！！！,一阶低通滤波器特性： -20dB/十倍频；
二阶低通滤波器特性： -40dB/十倍频；
三阶低通滤波器特性： -60dB/十倍频；,为满足测量误差小于10%的题目要求，拟设计一个截止频率小于 5Hz，二阶以上的低通滤波器，,低通滤波器的设计,确定截止频率与阶数；,在测试作品及评阅报告中，发现大部分参赛队缺乏对低通滤波器的具体分析及设计步骤！,(2) 锁定放大器设计要点,滤波器电路的设计（略）,,,输入信号S(t)频率为1000Hz，幅度为10μV～1mV（有效值）。由于常规仪器难以提供（和测量）μV级信号，需要通过适合加大信号源输出幅度，然后通过电阻分压的方法获得小幅度信号。分压比需要自定。
另一信号源产生一个1050～2100Hz的正弦波信号作为n(t)，然后通过加法器电路实现S(t)与n(t)的1:1叠加，并加在输入端。要求放大器对S(t)信号的测量误差小于10%。
增加n(t)幅度，使之等于10S(t)，然后叠加在放大器的输入端。要求锁定放大器对S(t)信号的测量误差小于10%。,题目要求（简写）,衰减器分压比的确定,,(2) 锁定放大器设计要点,方案1：被测信号和干扰信号分别
衰减后再叠加。,,,方案2：被测信号和干扰信号先叠加
然后再衰减。,,,衰减器分压比的确定,,(2) 锁定放大器设计要点,,,,,,,,,,微弱信号,,,衰减器输出电压范围为10μV～11mV（有效值），即28μV～30.8mV（峰峰值）。由于信号发生器的最大输出峰峰值为20V，则20V/30.8mV=650，取衰减倍数为600倍
为减少信号源本底噪声影响，信号源最小输出电压峰峰值＞10mV。本设计衰减器的衰减倍数为600倍，则当衰减器输出电压峰峰值为28μV时，要求信号源输出电压峰峰值为16.8mV，满足＞10mV（峰峰值）的要求。,许多作品衰减器的衰减倍数设计为1000倍，则当衰减器输出峰峰值为30.8mV 时，要求信号源输出峰峰值为30.8V，一般信号源不能提供。
若衰减倍数设计为100倍，则……,,,处理10μV级小幅度信号需选择低噪运放并注意制作布线工艺。
设交流放大器供电电压为±5V，考虑电源轨限制，可估计交流放大器的输出电压最大范围是±4V （峰峰值）。
为了提高测量精度，在输出电压不超出±4V的前提下，交流放大倍数应尽量大，但过大倍数将导致放大器性能不稳定，应兼顾考虑。（一般选≤1000）
输入信号的最大最小幅值相差100倍，为了使最小幅值信号得到足够的放大，同时保证最大幅值信号不溢出，可将放大器的倍数分为2～3档。
兼顾以上因素，放大器可分为2档：一档为100倍，用于放大1mV～11mV（有效值）的信号，另外一档为1000倍，放大10μV～1mV（有效值）信号。,(4) 交流放大器的设计,,,,(3) 评审结果分析,湖北赛区 C 题参赛总队数：116队,,测评表（稍微有改动）,,运放应用
（35分）,,相敏检波器
（15分）,,锁定放大器
的性能
（50分）,,测评表（稍微有改动）,能同时完成第（6）项及第（7）项者，可获一等奖及以上（大于90分）；能完成第（6）项及部分第（7）项者，一般可获二等奖（大于70分）；
能完成第（6）项，但不能完成第（7）项的主要原因是，衰减器分压比例设置不当。
能完成第（8）项主要取决于整体设计水平，尤其是交流放大器和相敏检波器设计水平、包括设计方案、核心器件的选择以及布线等工艺水平,只有4-5队能完成第（8）项。,进一步加强基本电路的训练；（80%)
重视理论的指导作用(重视原著)；
加强运用所学知识灵活处理问题的能力。,该题知识点丰富，上手容易，难度适中，非常适合做为模拟技术赛前训练题；
建议把原题测量误差要求从10%改为2%。,建议：,几点意见：,(3) 评审结果分析,① 作品制作与测试: 100分
② 写作(设计报告): 20分,难度大，进一步提高很困难,难度低，稍加注意即可获较好成绩,,,湖北赛区2001年A题评审原始纪录（前十名）: 测试成绩6、8名被淘汰！,,,4．设计报告的撰写,有时候，“设计与总结报告”的成绩会在作品排序中起到很重要的作用！,（112.67-108.27 = 4.4分）,—— 认真阅读全国大学生电子设计竞赛实施过程说明第11条,《设计报告》文字应控制在8000字以内，第一页为300字以内的设计中文摘要，正文采用小四号宋体字，标题字号自定，一律采用A4纸纵向打印。《设计报告》每页上方必须留出3cm空白，空白内不得有任何文字，每页右下端注明页码。,11. 《设计报告》写作与装订要求,规定：正文限制在6页内为符合要求。若超过6页，每多1页扣1分，一直扣满 5 分为止。（很严厉）
注：完整电路及核心程序等相关内容可以附件形式附在正文后面,（1）设计报告正文控制在8000字以内。超过扣分！,4．设计报告的撰写,根据全国专家组评审《设计报告》的原则，湖北赛区曾经制定过一个评审《设计报告》的评分细则，仅供参考！,(2)，设计报告的内容一定要涵盖设计报告评分标准中的主要内容！否则扣除相应的分数！,,四、设计报告评分标准,以“数字示波器”为例说明,仅供参考！,摘要
一、系统方案
1. 方案比较与选择
2. 系统总体方案描述
二、理论分析与计算
1.等效采样分析
2.垂直灵敏度
3.扫描速度
4.示波器显示
三、主要功能电路设计
1. 输入电路设计
2. 采样保持电路设计
3. 触发电路设计
4. 显示电路设计
5. 控制电路设计
四、系统软件设计
五、测试方案与测试结果
1. 测试使用的仪器及型号
2. 测试方案
3. 测试结果记录
4. 测试结果分析（结论）,,四、设计报告评分标准,,一、系统方案（共4分）
1.方案比较与选择（3分）
方案一：× × ×
（简述方案的基本原理、并根据题目要求的功能指标，对方案的可行性进行论证。一般需要用框图表示。）
方案二： × × ×
┄┄┄┄ ┄┄┄┄ ┄┄┄┄
方案二： × × ×
┄┄┄┄ ┄┄┄┄ ┄┄┄┄
综合以上分析，本设计拟采用方案×予以实现。
2. 系统总体方案描述 （1分）
（给出系统组成框图，并对系统的各模块的功能进行说明 ）,方案比较与选择评分标准: 如果不采用多方案比较，扣3分；如果采用l多方案比较，将根据描述的正确性、优良性，给1～3分。,4．设计报告的撰写,,四、设计报告评分标准,,二、理论分析与计算（共6分）
1. 等效采样分析（2分）
2. 垂直灵敏度（2分）
3. 扫描速度（2分）
4. 示波器显示,评分标准：
一定要包含有竞赛题目中主要内容中提出3个知识点，如果漏写某项，将直接扣掉相应分数。
各项知识点的描述将根据描述的正确性和完整性给分。,4．设计报告的撰写,三、主要功能电路设计（共2.5分）
1. 输入电路设计
2. 采样保持电路设计
3. 触发电路设计
4. 显示电路设计
5. 控制电路设计
四、系统软件设计（共1.5分）
（ 给出流程图，叙述其基本流程，对其中某些重要的算法及实现方法予以说明。也可以把FPGA的程序设计内容在该部分说明）,评分标准：
电路及软件设计描述的正确性、完整性；
电路图、流程图的正确性、规范性和完整性。,,四、设计报告评分标准,,4．设计报告的撰写,五、测试方案与测试结果
1.测试使用的仪器及型号
（给出使用的主要仪器及型号）
2.测试方案
（简述测试方法）
3.测试结果记录
（一般采用表格的方式）
4.测试结果分析（结论）
（一般应首先说明作品的成功性，对某些内容（例如，误差）进行分析，对未达指标部分的原因进行分析）,,四、设计报告评分标准,,4．设计报告的撰写,摘要
中文摘要，控制在300字以内；
用最精炼的语言写明：根据什么原理，采用什么方法，得到了什么结果，有什么特色。
2. 正文的结构，图表的规范性
同本科毕业论文的要求基本一致。
3. 其他
例1，不能存在概念性的错误。如存在，将视程度扣分，扣分额度不受限制。
例2，不能出现太多低级错误。比如，规定每出现5个错别字扣1分，直至扣完3分为止。,,四、设计报告评分标准,,4．设计报告的撰写,“测评”环节的重要性,据了解，约半数学生在赛场的测评与原测试结果基本一致；
有相当比例的作品在赛场测评中没有达到原有水平；也有极少数学生认为作品赛场测评效果比原测试效果好。
有部分作品没有在规定的时间内完成预定的测试项目；
还有部分作品（包括部分高水平的作品）在现场烧毁；,一个设计正确、制作良好的作品，必须经过认真的调试才能达到预定的技术指标。否则可能前功尽弃。,“调试”环节的重要性,亟待在赛前训练中加强“测试技术水平”的训练力度！,5．调试与测评,掌握仪器的正确使用方法及电路调整技术。
学会正确选择的测试点!!! 为了在现场测试中达到理想的结果，强烈 建议作品事先留好与技术指标相关的测试点。
焊接要可靠，布线要合理。特别加强学生如何正确接地、去耦、屏蔽及合理布线方面的训练。这是取得理想测试结果的保证。,几点建议：,建议一， 加强学生测试能力的训练,建议二， 掌握相关指标的测试方法，制定正确的测试方案。,电子测量仪器设计制作完成之后，应对其性能指标进行测试，以判定设计制作的电子仪器是否达到预定的要求。各指标的测试方案应该参照国家颁布的有关电子测量仪器的检定规程。
以仪器测量误差为例，简述数字式电子仪器的检定与测试方法。,5．调试与测评,,数字仪器测量误差的检定一般有直接比较法和标准源法两种。
① 直接比较法：标准数字仪器和被检定的数字仪器测量同一被测量，然后根据两仪器显示值来确定被检仪器的误差。
该方法要求：标准仪器的误差要小于被检仪器误差的1/3以上；位数比被检仪器至少多一位；量程要尽量和被检仪表尽量一致。,,,例如，2010年“自动电阻测试仪”电阻测量误差的检定方法。,要求被测电阻测试仪的测量误差为±（1%读数＋2字），位数为三位半,全国测试时，标准仪器采用了五位半数字多用表，其电阻测量误差为±（0.02%读数＋2字）。,建议二， 掌握相关指标的测试方法，制定正确的测试方案。,,① 直接比较法：
② 标准源法：被检数字仪器直接测量标准信号源产生的信号。
该方法要求：要求标准源提供的信号的误差小于被检仪表误差的1/3以上；位数比被检仪表至少多一位。,采用双通道DDS函数信号发生器做为标准仪器。其最高输出频率为240MHz，频率周期的误差≤10-5 。,,要求被测频率计最高输出频率≥100MHz，频率周期误差≤10-4 ；,例如，2015年“数字频率计”频率周期测量误差的检定方法。,建议二， 掌握相关指标的测试方法，制定正确的测试方案。,,建议一，加强学生测试能力的训练,建议二，掌握相关参数的测试方法，制定正确的测试方案。,建议三，熟悉测试规则和流程，好充分的测试准备和计划。,全国专家组制定的测试规则和流程要点：,,测试准备：正式测试前有20或30分电路恢复和测试准备时间，允许学生重新焊接虚焊点，但不准更换可编程类型器件。,正式测试：测试、问答总时间为20或30分，由评审专家指挥，学生具体操作；测试按照全国统一的测评标准，三位专家分别记录。
如果超时将结束测试，并依已记录的项目给分。
如果在测试过程中出现意外故障，限在5分钟内调整恢复。超过5分钟不能恢复将结束测试，并依已记录的项目给分。,5．调试与测评,参加测试前，制定一个测试方案与测试流程，做好人员分工。为了达到理想的测试效果，需要合理选择测试位置，并事先留好测试点。
测试准备时间：要充分利用好这20或30分钟，做好电路恢复和测试准备。某些作品应事先设置好相关调整电路，以利于现场调试与比对。
正式测试时间：按照预先的分工，预先制定的测试方案与测试流程进行测试，既要抓紧确保按时完成，又要做到安全和准确。,参赛学生应注意的几个问题,,测试准备：正式测试前有20或30分电路恢复和测试准备时间，允许学生重新焊接虚焊点，但不准更换可编程类型器件。,正式测试：测试、问答总时间为20或30分，由评审专家指挥，学生具体操作；测试按照全国统一的测评标准，三位专家分别记录。
如果超时将结束测试，并依已记录的项目给分。
如果在测试过程中出现意外故障，限在5分钟内调整恢复。超过5分钟不能恢复将结束测试，并依已记录的项目给分。,确保供竞赛使用的仪器和电源的质量，包括探头等相关附件。
电赛专用实验室的设备水平应该与时俱进。例如，频率进一步提高是个趋势，建议有条件的供电赛专用的实验室配备几套高档仪器设备（建议配备500MHz及以上数字示波器、的200MHz及以上高信号质量信号源，中档频谱分析仪等），以适应高频技术的训练。
有条件的实验室可以考虑配备一套适用的制版机设备。电赛中，几乎所有成功的高频赛题的作品都采用（或局部采用）PCB板。,建议一，加强学生测试能力的训练,建议二，掌握相关参数的测试方法，制定正确的测试方案。,建议三，熟悉测试规则和流程，好充分的测试准备和计划。,建议四，确保竞赛实验室仪器设备的水平与质量,,5．调试与测评,谢谢大家！,
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