测量放大器的设计

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测量微弱信号的放大电路设计要点与技巧

测量微弱信号的放大电路设计要点与技巧

测量微弱信号的放大电路设计要点与技巧测量微弱信号是科研领域中常见的实验任务之一,而放大电路设计则是实现这一目标的关键。

在本文中,我将探讨一些测量微弱信号的放大电路设计要点和技巧,希望能为科研工作者提供有益的指导。

首先,了解信号的性质至关重要。

微弱信号通常在低频范围内,并且很容易受到环境干扰。

因此,在设计放大电路时,要考虑选择适当的频率带宽。

一般来说,带宽应该比信号频率的两倍高,这样能够有效地避免高频噪声的干扰。

其次,选择合适的放大器是成功设计放大电路的关键。

低噪声放大器是测量微弱信号的理想选择,因为它们能够增加信号的幅度同时减少噪声的干扰。

常见的低噪声放大器包括运算放大器和差动放大器。

运算放大器广泛应用于各种测量仪器中,而差动放大器则在抵抗共模噪声方面表现出色。

此外,合理设置放大器的增益也是非常重要的。

过高的增益可能会引入更多的噪声,因此需要在信号幅度和噪声干扰之间寻找一个平衡点。

经验表明,设置适当的增益可以确保信号得到放大,同时保持噪声干扰的最低程度。

在设计放大电路时,还需要注意地线的布局和连接。

地线是将电路与外界连接的重要通道,不良的地线布局可能导致干扰信号的引入。

因此,要确保地线布线短小粗直,尽量减少环路面积,以减少可能引入的噪声干扰。

此外,选择合适的滤波器也是测量微弱信号的成功关键之一。

滤波器能够消除信号中的杂散噪声,从而提高信噪比。

常见的滤波器类型包括低通滤波器、带通滤波器和带阻滤波器。

不同的信号频率需要不同类型的滤波器,因此在设计放大电路时要仔细选择合适的滤波器。

最后,校准和调整放大电路也是设计过程中的关键环节。

由于不同的器件走线、元件容差等原因,放大电路可能存在一些偏差。

因此,需要通过校准和调整来保证放大电路的准确性和稳定性。

校准过程中需要使用特定的校准仪器和设备,例如示波器和信号发生器。

综上所述,设计测量微弱信号的放大电路需要特别关注信号性质、放大器选择、增益设置、地线布局、滤波器选择和校准调整等方面。

微弱光信号的光电探测放大电路的设计

微弱光信号的光电探测放大电路的设计

微弱光信号的光电探测放大电路的设计对于各种微弱的被测量,例如弱光、弱磁、弱声、小位移、小电容、微流量、微压力、微振动和微温差等,一般都是通过相应的传感器将其转换为微电流或低电压,再经放大器放大其幅值以反映被测量的大小。

但是,由于被测量的信号很微弱,传感器的本底噪声、放大电路及测量仪器的固有噪声以及外界的干扰往往比有用信号的幅值大的多,同时,放大被测信号的过程也放大了噪声,而且必然还会附加一些额外的噪声,例如放大器的内部固有噪声和外部干扰的影响,因此,只有在有效地抑制噪声的条件下增大微弱信号的幅值,才能提取出有用信号。

本文针对检测微弱光信号的光电二极管放大电路,综合分析了其电路噪声、信号带宽及电路稳定性,在此基础上设计了一种低噪声光电信号放大电路,并给出电路参数选择方法。

1 基本电路光电二极管作为光探测器有两种应用模式如图1所示。

(1)光伏模式,如图1 (a)。

此时,光电二极管处于零偏置状态,不存在暗电流,低噪声,线性度好,因而适于精密领域。

本文就是以这种模式为例进行分析,实际应用中,这个电路一般还需在Rf上并联一个小电容Cs,从而使电路稳定。

(2)光导模式,如图1(b)。

这种模式需要给光电二极管加反向偏置电压,因而存在暗电流,产生噪声电流,同时因为非线性,一般应用在高速场合。

当光照射到光电二极管时,光电二极管产生一个与照明度成比例的微弱电流Ip,该电流流过跨接在放大器负输入端和输出端的反馈电阻Rf,将运算放大器视为理想放大器,根据理想运算放大器输入端的“虚断”特性,从而有E0=IpRf。

可以看出,光电二极管放大电路实际上是一个I/V转换电路。

这个电路看起来非常简单,只需一个反馈电阻,一个光电二极管和一个放大器便可实现。

从输出电压的线性表达式很容易推出,使反馈电阻Rf增大,将使得输出电压也成比例的增大。

经之前分析时,一般给出其典型值为100MΩ。

在下面的分析我们将看到,反馈电阻不但影响信号的带宽,而且影响整个电路噪声。

心电图用放大器的设计注意事项

心电图用放大器的设计注意事项

心电图用放大器的设计注意事项心电图是一种测量心脏电活动的重要工具,而放大器的设计对于心电图的准确性和可靠性起着至关重要的作用。

以下是心电图用放大器设计时需要注意的几个关键方面:1.噪声控制:心电图信号较小且容易受到噪声的干扰,因此放大器设计应具备良好的噪声控制能力。

首先,需要选择低噪声运算放大器作为信号放大的核心。

此外,还可采取隔离、滤波和屏蔽等措施来减少噪声的干扰。

2.带宽要求:心电图信号的带宽通常在0.05Hz至100Hz之间,因此放大器必须具备足够的带宽来传输这些信号。

通常情况下,放大器的带宽应大于信号最高频率的两倍。

3.阻抗匹配:放大器的输入和输出阻抗必须能够与心电图采集设备相匹配,以避免信号损失和阻抗不匹配引起的偏差。

一般来说,输入阻抗应大于10MΩ,输出阻抗应小于100Ω。

4.增益控制:放大器的增益应具备一定的可调节范围,以便根据实际需要选择适当的放大倍数。

增益过高可能导致信号饱和和失真,增益过低则会使信号变得难以辨识。

5.安全考虑:心电图放大器设计时必须注意电源和地线的绝缘,以防止电击等安全问题发生。

此外,在输入端和输出端都应添加适当的保护电路,以避免静电、电压过载和电流过大等问题。

6.线性度和准确性:心电图信号的准确性对于诊断和分析非常重要,因此放大器设计应具备良好的线性度和准确性。

线性度方面,放大器应具备宽动态范围和低非线性失真。

准确性方面,应尽可能减小系统误差,如偏移电压、漂移和失调。

7.低功耗:心电图放大器通常需要长时间连续工作,因此低功耗设计至关重要。

采用低功耗的运算放大器和设计合理的电源管理措施,可延长电池寿命、减少能源消耗,同时降低设备温升和噪声。

8.抗干扰能力:心电图信号容易受到外界的干扰,如电源噪声、高频干扰和交叉干扰等。

放大器设计时应添加合适的抗干扰电路,如滤波器、隔离器和屏蔽,以分离并抑制这些干扰源。

总之,心电图用放大器的设计需要充分考虑信号质量、噪声控制、带宽要求、阻抗匹配、增益控制、安全和可靠性等因素。

基于FPGA的运算放大器参数测量系统设计

基于FPGA的运算放大器参数测量系统设计
2 0 1 3年
第2 3期
。机械 与电子。
科技信息
基于 F P G A的运算放大器参数测量系统设计
黄 丽
( 武汉铁路职业技术学院 , 湖北 武汉 4 3 0 0 2 3 )
【 摘 要】 文 中分析 了运 算放 大器的参数测量原理 , 使用F P G A作 为控制核心 , 结合 G B 3 4 4 2 — 8 2规定的辅助 测量电路 , 利 用程控 方式 实现 了集成运算放大器主要参数的测量。 【 关键词 】 F P G A ; 运算放 大器 ; 数字控制 ; 测量 系统
4 ) 共模抑制 比K 将开关 S 1 、 s 3 打开 , s 2 、 s 4 断开得到测量 c a路 。根 据电路近似得
到 z o l g ( ・ 警) 。
图 2 集成运 放参数测量 电路
2 . 2 其 它部分 电路设计 其它部分 电路包括模数转换器 、正弦信号产生模块 、 L C D显示 以 及键盘输入设计 .模数转换器采用 M A X I M公 司的 8 通道 1 2 位高精 2 设 计 实 现 度A D转 换器件 M A X 1 9 7 . 正 弦信号 产生模 块 采用 A D公 司 的基 于 D D S 原理 的 A D 9 8 5 1 芯片实现 . 此两款芯片设计 电路参考厂商 提供 的 2 . 1 集成运放参数测量电路模块设计 参考 电路即可 , L C D显示 以及键盘输入采用常规电路设计。 集成运放参数测量 电路是整个 系统核心 . 其主要 由待测运 放 u 1 、 2 _ 3 F P G A控制部分软件设计 辅 助测试运放 u 2 、 反馈 电路 以及程控开关组成 , 如图 2 所示。 F P G A控制部 分采用 A l t e r a 公 司提供 的 C y c l o n e V I 系列芯 片 . 由图可知 : 主要 完成模数转换 芯片. M A X 1 9 7和正 弦信号产生模 块 A D 9 8 5 1 的时 1 ) 输入失调 电压 序控制 、 测量结果计算 、 L C D显示 和键盘输入驱动等功能 , 程序语言使 将 开关 s l 、 s 2 、 s 3 、 S 4 全部断开 ,图中直流电路通过 尺 和R , 接成 用V e r i l o g 来完成 闭合环路。由于 毋 远大于 ” 则有 ‘ V L O V 为辅助运放 的 3 结论 输出电压 通过键盘选择设定测 试参数 . 可 以直接通 L C D看得测量结果 . 如 2 ) 输入失 调电流 , 肿 表 1 所示 的 测量结果与对应运放 的出厂参数基本一致 , ( 下转第 1 1 6 页) 图1 集成运放参数测试结构 图

温度测量放大电路的设计

温度测量放大电路的设计

温度测量放大电路的设计概述:温度测量是工业生产、实验研究和日常生活中常见的一项任务。

温度测量放大电路是用来增强传感器输出信号的弱电流和电压的放大器电路。

本文将对温度测量放大电路的设计进行详细的介绍。

设计目标:设计一个温度测量放大电路,实现以下目标:1.准确测量温度,并将温度信号放大到合适的幅度。

2.提供稳定、可靠的放大功能,同时保持低噪声3.能够适应不同类型的温度传感器4.电路设计简单,成本低廉5.能够工作在较宽的温度范围内温度传感器:温度传感器是测量温度的核心设备。

常见的温度传感器有热电偶、热敏电阻和半导体温度传感器。

本设计将以热敏电阻为例进行介绍。

电路设计:为了准确测量温度,我们需要将热敏电阻的变化转换为电压信号。

热敏电阻的电阻值随温度的变化而改变,这样可以通过将热敏电阻串联在一个已知电阻上,利用电阻分压原理将电阻值转换为电压信号,然后将该信号放大。

在这里,我们选择了运算放大器(Op Amp)作为放大电路的关键元件。

运算放大器具有高放大度、低噪声和稳定性好的特点,非常适合温度测量放大电路的设计。

具体的电路设计步骤如下:1.选择适当的运算放大器:根据设计要求选择适合的运算放大器。

常见的运算放大器有:LM741、LM358、TL071等。

选择时需要考虑输入和输出电压范围、增益带宽积、噪声等参数。

2.确定电源电压:根据运算放大器的工作电压范围确定电源电压。

一般地,运算放大器的电源电压为正负15V,也有一些运算放大器可以在单电源供电下工作。

3.设计电阻分压网络:根据热敏电阻的特性和测量范围选择合适的电阻值。

通过将热敏电阻串联在一个已知电阻上,利用电阻分压原理将电阻值转换为电压信号。

根据设计要求确定电阻值,并进行串联连接。

4.设计反馈电阻:为了放大电路中的信号,需要设计一个反馈电阻。

反馈电阻的值决定了放大倍数。

一般地,反馈电阻的值越大,放大倍数越高。

通过选择合适的反馈电阻可以实现所需要的放大倍数。

5.添加输入和输出保护:为了保护运算放大器和其他部件,可以添加输入和输出保护电路。

一种基于弱信号的精密测量放大器研究与设计

一种基于弱信号的精密测量放大器研究与设计

和道德体现的功能并未丧失 ,二者交错并存 ,时有起伏 。这种状 况 自 西周中期至春秋 时期 ,数百年 间维持 不坠 ,而且在政治 、文化 、社 会
春秋社会 的礼乐传统虽然 潜移默化 地影 响着多数人 的言行 举止 , 但不可否认违礼僭礼现象有增无减 ,诸如楚王 问鼎、晋 文公 请隧的僭 礼行为都已成 为不可磨灭的历史印记。《 左传 ・ 宣公三年》记载 :“ 楚 子伐陆浑之戎 ,遂至于洛 ,观兵于周疆。周定王使王孙 满劳楚子 ,楚 子 问 鼎 之 大 小轻 重 焉 。 楚 庄 王故 意 在 洛 邑 附 近 阅 兵 ,显 示 楚 国 的 强 ” 大 ,向周王室挑衅 。鼎是 国家最高权力 的象征 ,除天 子之外其他人不 能过问。楚庄王问鼎 的大小轻重 。明显是对天子 的不尊 ,是对周礼 的 蔑视 ,暴露出楚庄王 觊觎周天子之位的野 心。《 左传 - 僖公二十血 年》 记载 :“ 戊午 ,晋侯朝王 ,王飨醴,命之宥 。请隧 ,弗许 ,曰:‘ 王章 也 。未有代德而有二 王,亦叔父之所恶也。 隧礼是天子葬礼所用 的 … 规格 ,晋文公请求 隧礼是对天子礼制 的僭越 。无怪乎 晋文公虽救驾 有
间。 ”可见 ,春秋与战国在 礼制 运用上迥然不 同,不 能用 “ 礼乐崩坏” 概而论之 。礼乐崩坏是一个渐进的过程 ,从整体上看春秋社会对 “ 宗周 礼 乐 ” 传 统保 持 相 对 完整 。至 少 是在 春 秋前 期 ,整个 社 会 仍 然在 宗 法 制 度与礼乐传统的整体氛围下得到一种政治认同与思想整合 。 通过上文 的分析 ,我们厘清了春秋社会 的礼乐 风貌 ,违礼僭 礼是 历史前进 的必 然结果 ,但 是春 秋社 会 的主流 思潮仍 然 以尊礼 重礼 为 本 ,偶尔 出现 的僭越礼法行为犹如一篇华丽乐章 里的几丝乱 弦,虽 然 音量有 限,却 因它们与主体音调的不谐调而被 放大 、夸张。宗周礼 乐 为春秋 时人继续沿用 ,礼乐崩坏偶 有显现 ,直 至战国之时 ,周礼 才被

基于LM324的信号产生及测量电路设计

基于LM324的信号产生及测量电路设计

基于LM324的信号产生及测量电路设计一、引言信号产生和测量是电子技术中非常重要的基础工作,它涉及到各种测量仪器和电路设计。

本文将基于LM324运算放大器,设计一种信号产生和测量电路,用于产生和测量模拟信号。

二、电路设计LM324是一种低功耗、低噪声、高精度的运算放大器,具有四个独立的运算放大器,适用于广泛的应用场景。

下面将详细介绍基于LM324的信号产生和测量电路的设计。

1.信号产生电路2.信号测量电路三、电路参数设计在设计电路时,需要根据应用需求来选择电路参数,下面我们以设计一个信号产生频率为10kHz,幅度为0~5V的信号为例,对电路参数进行设计。

1.信号产生电路参数设计为了产生10kHz的正弦波信号,我们需要确定RC网络的参数。

根据频率选择RC网络的截止频率,一般选择截止频率为信号频率的十倍。

所以,我们可以选择截止频率为100kHz,那么RC网络的时间常数τ=T=1/(2πf)=1/(2π*100kHz)。

对于滤波器的幅度控制输入Vc的设计,我们可以选择一个可调电阻(R2)和一个固定电阻(R3)形成电压分压。

根据电路需求,我们选择Vc的范围为0~5V,那么R2和R3的比值为R2/R3=Vc_max/(Vin-Vc_max)=5V/(12V-5V)=0.6252.信号测量电路参数设计为了测量正弦波信号的频率和幅度,我们需要选择频率计和电压表的参数。

频率计的测量范围应该包含信号的频率范围,一般选择频率计的测量范围为信号频率的十倍,所以我们可以选择测量范围为100kHz。

电压表的选取应考虑到信号的最大值和分辨率,一般选择电压表的量程为信号最大值的两倍,所以我们可以选择电压表的量程为10V。

四、实验结果分析经过参数设计并实际搭建电路,我们可以测试信号的频率和幅度。

通过频率计和电压表的测量,我们可以得到信号的实际频率和幅度。

比较测量结果和设计参数,可以评估电路设计的准确性和性能。

同时,我们还可以通过改变信号源的控制电压Vc,观察信号的变化,验证电路的幅度调节功能。

心电信号检测放大器实验报告

心电信号检测放大器实验报告

心电信号检测放大器实验报告直流供电天津大学精密仪器与光电子工程学院2004级生物医学工程1班贾乾3004202314第一章前言心脏是人体血液循环系统中的重要器官,依靠它的节律性搏动,血液才能在闭锁的循环系统中不停地流动,使生命得以维持。

它的活动正常与否直接关系到人的生命安全。

人们不能凭着直观判断心脏健康与否,而是需要精确的仪器加以测量,通过对测得的心电波进行分析比较,最后做出诊断。

心电图典型波形如下图所示:心脏的生理功能与心电图存在着密切的有机联系,心脏生理功能失常许多可以从心电图中反映出来,这就是心电图为什么能得到广泛应用的原因,主要应用有:1.分析与鉴别各种心率失常。

2.一部分冠状循环功能障碍或急性所引起的心肌病变。

3.判断心脏药物治疗或其他疾病的药物治疗对心脏功能的影响。

4.指示心脏房室肥大情况,从而协助各种心脏疾病的诊断。

等等。

在国内外,关于心电图机的发展都经过了一段相当长的时间,目前对于心电图机的发展都经过了一段相当长的时间,目前对于心电图机的研制已经达到了一个相当高的水平。

尽管这样,在心电信号处理的方法和自动分析手段都存在着很多缺点,心电特征波形分析定位结果并不尽如人意,从理论上还有创新的余地。

第二章总体设计一.心电信号的基本特征:心电信号是一种较微弱的体表电信号,成年人的幅值约为0.5~4mV,频率在0.01~250Hz范围内,属于低频率,低幅值信号。

为了获得清晰而良好的心电波信号,中华人民共和国医药行业标准YY1139―2000对心电图机提出各种技术要求,主要有:1.输入阻抗单端输入阻抗不小于2.5MΩ。

2.输入回路电流各输入回路电流不大于0.1μA。

3.定标电压有1mV±5%的标准电压,用于对心电图机增益进行校准。

4.噪声水平所有折算到输入端的噪声应小于35μV。

5.频率特性幅度频率特性:以10Hz为基准,1Hz~75Hz(-3.0dB~+4.0dB);6.抗干扰能力共模抑制比:KCMR>60dB以上。

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测量放大器能够将微弱的电信号进行放大,在生活中应用也十分广泛,如在自动控制领域,往往需要用电压信号进行控制,也就必然离不开电压测量放大器,由于测量放大器应用十分广泛,因而现在已经有集成的测量放大器供使用了。

本次设计就是围绕测量放大器展开的,测量放大器主要是通过运用集成运放将所测量的信号进行不失真的放大,并且不对所测量的电路产生影响,这就是需要放大器有较高的输入电阻和较高的共模抑制比。

一、实验目的
学习测量放大器的设计方法,掌握测量放大器的调试方法。

二、实验要求
在许多测试场合,传感器输出的信号往往很微弱,而且伴随有很大的共模电压(包括干扰电压),一般对这种信号需要采用测量放大器。

测量放大器是一种高增益、直流耦合放大器,它具有差分输入、单端输出、高输入阻抗和高共模抑制比等特点。

请设计一个测量放大器:
指标要求:
a.当输入信号峰峰值uip-p=1mV时,输出电压信号峰峰值
uop-p=1V。

b.输入阻抗:Ri>1MΩ
c. 频带宽度:Δf(-3dB)=1Hz~1kHz
d.共模抑制比:CMRR > 70dB
三、实验内容
1、前端后端放大电路设计与论证
测量放大器部分
(1)低噪声前端放大电路的设计 最初方案如图1。

本电路结构简单,输入阻抗较高,放大倍数可调,但是共模抑制比较小。

实测只达到104,所以我们放弃本方案,选择了第二个方案,如图2。

此电路的优点在于输入电压接在两个运放的同相端,输入阻抗高,共模抑制比大,可满足要求。

其中,直流信号的共模抑制比实测可达2.5×106,交流信号的共模抑制比可达 2×105。

由电路的对称性可知共模信号被有效地抑制,而差模信号放大了10 倍,从而提高了共模抑制比。

另外,温度在两个输入端引起的漂移是共模信号,对输出电压影响很小,无需另加补偿。

图1低噪声前置放大电路的设计
图2低噪声前置放大电路的设计
(2)程控增益放大部分:为了改变放大器的增益,一般有两条途径:一是改变反相端的输入电阻阻值,二是改变负反馈电阻阻值。

最终我们选择在负反馈网络上添加滑动变阻器来改变负反馈电阻阻值,从而改变放大器的增益。

最终我们在考虑方案二的基础上,并结合一些集成运放器的选择,我们前端放大器我们采取如下方案:
该电路实现|50|的放大增益
同理集成运放的放大特性,
可推出后端放大电路,其实现|20|倍的放大增益
这样便可以实现20*50=1000的放大增益2、总体电路图
3、主要电路的参数计算
(1)、放大倍数1000倍;
第一级差模放大倍数Av1计算如下:
-V i(-)) V02-V01=(1+2R2/R1)(V i
(+)
=(1+200/50)(V i(+)-V i(-))
=(1+200/50)(V i(+)-V i(-))
即差模增益Av1=5
第二级差模放大倍数Av2计算如下:
Av2=-R6/R4=-10
此级放大倍数Av2=-10
所以前端放大倍数Av=Av1×Av2=-50
同理可推出后端放大倍数
第三级差模放大倍数Av3计算如下:
Av3=1+R15/R12=4
第4级差模放大倍数Av4计算如下:
Av4=1+R14/R13=5;
其中R14调为40k
(2)、频带宽度:
第二级与第三级间加入二阶低通滤波器,根2*pi*fH=0.37/RC,其中fH=1kHz,可取值算出R、C
第三级与第四级加入二阶高通滤波器,对于二阶高通滤波器,由于其参数很难设定,我们可以先固定C=100nF,然后根据一阶高通滤波器的通带截止频率公式w。

=1/RC,大概得出R的值,再在这个值的基础上,不断改变R的值,并观察波特图仪,当波特图仪的下限达到1Hz时,即达到设定要求,这部分很难操作,必须要有足够耐心,最后得出R=4.3M。

根据低通的Wp=0.37/RC,我们可以近似推出高通的频带公式为Wp=1/(0.37RC).
(3)、共模抑制比
共模抑制比主要由前端放大电路(第一第二级)的设计来决定。

在实际测量中,我们可以分别测量直流与交流情况下的共模抑制比,方法:在输入两端先输入若干差模信号,记下差模放大倍数,再输入若干共模信号,记下共模放大倍数,然后任取两值,即可算出共模抑制比。

在直流信号的共模抑制比实测可达2.5×106,交流信号的共模抑制比可达 2×105,从而达到了设计要求。

由电路的对称性可知共模信号被有效地抑制,而差模信号放大了10 倍,从而提高了共模抑制比。

另外,温度在两个输入端引起的漂移是共模信号,对输出电压影响很小,无需另加补偿。

(4)、输入阻抗
输入阻抗并不需要实际去测量,实际运用中,我们都采用同相输入,有利于提高输入阻抗,再加之TL084具有高输入阻抗,因此输入阻抗趋于无穷,肯定满足设计要求。

四、放大器性能测试
放大器性能测试:
输入信号加入0.1mv,100Hz的交流电源,示波器置双通道观察测量放大器的输入输出波形。

对于测量放大器放大倍数的测量,读出示波器双通道显示的输入输出信号波形的峰峰值,求出实际电压放大倍数,然后与设置的电压放大倍数比较。

测量放大器的频率响应测试:
在放大器的输出端加入波特图仪,通过观察波特图的幅度图可以得出放大器的同频带。

仿真图如下:由图我们可以看出放大器的放大倍数近似为100倍,频带宽度近似为1Hz~1KHz.
五、实验心得
本系统为一放大倍数1000的测量放大器,该放大器有前、后端高共模抑制比放大器两大模块组成。

较好地完成了设计要求,该设计最大的创新在于后端放大电路的设计,经测试后共模抑制比很高,但部分电路仍有待提高,指标也仍需改进。

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