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电路设计的基本原理和方法
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手把手硬件电路详细设计过程
献给那些刚开始或即将开始设计硬件电路的人。时光飞逝，离俺最初画第一块电路已有3年。刚刚开始接触电路板的时候，与你一样，俺充满了疑惑同时又带着些兴奋。在网上许多关于硬件电路的经验、知识让人目不暇接。像信号完整性，EMI，PS设计准会把你搞晕。别急，一切要慢慢来。
1)总体思路。设计硬件电路，大的框架和架构要搞清楚，但要做到这一点还真不容易。有些大框架也许自己的老板、老师已经想好，自己只是把思路具体实现;但也有些要自己设计框架的，那就要搞清楚要实现什么功能，然后找找有否能实现同样或相似功能的参考电路板(要懂得尽量利用他人的成果，越是有经验的工程师越会懂得借鉴他人的成果)。
2)理解电路。如果你找到了的参考设计，那么恭喜你，你可以节约很多时间了(包括前期设计和后期调试)。马上就copy?NO，还是先看懂理解了再说，一方面能提高我们的电路理解能力，而且能避免设计中的错误。
3)没有找到参考设计? 没关系。先确定大IC芯片，找datasheet，看其关键参数是否符合自己的要求，哪些才是自己需要的关键参数，以及能否看懂这些关键参数，都是硬件工程师的能力的体现，这也需要长期地慢慢地积累。这期间，要善于提问，因为自己不懂的东西，别人往往一句话就能点醒你，尤其是硬件设计。
4)硬件电路设计主要是三个部分，原理图，pcb ，物料清单(BOM)表。原理图设计就是将前面的思路转化为电路原理图。它很像我们教科书上的电路图。pcb涉及到实际的电路板，它根据原理图转化而来的网表(网表是沟通原理图和pcb之间的桥梁)，而将具体的元器件的封装放置(布局)在电路板上，然后根据飞线(也叫预拉线)连接其电信号(布线)。完成了pcb布局布线后，要用到哪些元器件应该有所归纳，所以我们将用到BOM表。
5)用什么工具?Prote，也就是altimuml容易上手，在国内也比较流行，应付一般的工作已经足够，适合初入门的设计者使用。
6)to be continued......
其实无论用简单的protel或者复杂的cadence工具，硬件设计大环节是一样的(protel上的操作类似windwos，是post-command型的;而cadence的产品concept & allegro 是pre-command型的，用惯了protel，突然转向cadence的工具，会不习惯就是这个原因)。设计大环节都要有1)原理图设计。2)pcb设计。3)制作BOM表。现在简要谈一下设计流程(步骤)：
1)原理图库建立。要将一个新元件摆放在原理图上，我们必须得建立改元件的库。库中主要定义了该新元件的管脚定义及其属性，并且以具体的图形形式来代表(我们常常看到的是一个矩形(代表其IC BODY)，周围许多短线(代表IC管脚))。protel创建库及其简单，而且因为用的人多，许多元件都能找到现成的库，这一点对使用者极为方便。应搞清楚ic body，ic pins，input pin，output pin， analog pin， digital pin， power pin等区别。
2)有了充足的库之后，就可以在原理图上画图了，按照datasheet和系统设计的要求，通过wire把相关元件连接起来。在相关的地方添加line和text注释。wire和line的区别在于，前者有电气属性，后者没有。wire适用于连接相同网络，line适用于注释图形。这个时候，应搞清一些基本概念，如：wire，line，bus，part，footprint，等等。
3)做完这一步，我们就可以生成netlist了，这个netlist是原理图与pcb之间的桥梁。原理图是我们能认知的形式，电脑要将其转化为pcb，就必须将原理图转化它认识的形式netlist，然后再处理、转化为pcb。
4)得到netlist，马上画pcb?别急，先做ERC先。ERC是电气规则检查的缩写。它能对一些原理图基本的设计错误进行排查，如多个output接在一起等问题。(但是一定要仔细检查自己的原理图，不能过分依赖工具，毕竟工具并不能明白你的系统，它只是纯粹地根据一些基本规则排查。)
5)从netlist得到了pcb，一堆密密麻麻的元件，和数不清的飞线是不是让你吓了一跳?呵呵，别急还得慢慢来。
6)确定板框大小。在keepout区(或mechanic区)画个板框，这将限制了你布线的区域。需要根据需求好考虑板长，板宽(有时，还得考虑板厚)。当然了，叠层也得考虑好。(叠层的意思就是，板层有几层，怎么应用，比如板总共4层，顶层走信号，中间第一层铺电源，中间第二层铺地，底层走信号)。
7)to be continued......
先解释一下(2)中的术语。post-command，例如我们要拷贝一个object(元件)，我们要先选中这个object，然后按ctrl+C，然后按ctrl+V(copy命令发生在选中object之后)。这种操作windows和protel都采用的这种方式。但是concept就是另外一种方式，我们叫做pre-command。同样我们要拷贝一个东西，先按ctrl+C，然后再选中object，再在外面单击(copy命令发生在选中object之前)。
1)确定完板框之后，就该元件布局(摆放)了，布局这步极为关键。它往往决定了后期布线的难易。哪些元器件该摆正面，哪些元件该摆背面，都要有所考量。但是这些都是一个仁者见仁，智者见智的问题;从不同角度考虑摆放位置都可以不一样。其实自己画了原理图，明白所有元件功能，自然对元件摆放有清楚的认识(如果让一个不是画原理图的人来摆放元件，其结果往往会让你大吃一惊^_^)。对于初入门的，注意模拟元件，数字元件的隔离，以及机械位置的摆放，同时注意电源的拓扑就可以了。
2)接下来就是布线。这与布局往往是互动的。有经验的人往往在开始就能看出哪些地方能布线成功。如果有些地方难以布线还需要改动布局。对于fpga设计来说往往还要改动原理图来使布线更加顺畅。布线和布局问题涉及的因素很多，对于高速数字部分，因为牵扯到信号完整性问题而变得复杂，但往往这些问题又是难以定量或即使定量也难以计算的。所以，在信号频率不是很高的情况下，应以布通为第一原则。
3)OK了?别急，用DRC检查检查先。这是一定要检查的。DRC对于布线完成覆盖率以及规则违反的地方都会有所标注，按照这个再一一的排查，修正。
4)有些pcb还要加上敷铜(可能会导致成本增加)，将出线部分做成泪滴(工厂也许会帮你加)。最后的pcb文件转成gerber文件就可交付pcb生产了。(有些直接给pcb也成，工厂会帮你转gerber)。
5)要装配pcb，准备bom表吧，一般能直接从原理图中导出。但是需要注意的是，原理图中哪些部分元件该上，哪些部分元件不该上，要做到心理有数。对于小批量或研究板而言，用excel自己管理倒也方便(大公司往往要专业软件来管理)。而对于新手而言，第一个版本，不建议直接交给装配工厂或焊接工厂将bom的料全部焊上，这样不便于排查问题。最好的方法就是，根据bom表自己准备好元件。等到板来了之后，一步步上元件、调试。
6)to be continued......
再谈谈调试吧。
1)拿到板第一步做什么，不要急急忙忙供电看功能，硬件调试不可能一步调试完成的。先拿万用表看看关键网络是否有不正常，主要是看电源与地之间有否短路(尽管生产厂商已经帮你做过测试，这一步还是要自己亲自看看，有时候看起来某些步骤挺繁琐，但是可以节约你后面不少时间!)，其实短路与否不光pcb有关，在生产制作的任何一个环节可能导致这个问题，IO短路一般不会造成灾难性的后果，但是电源短路就......
2)电源网络没短路?那么好，那就看看电源输出是否是自己理想的值，对于初学者，调试的时候最好IC一件件芯片上，第一个要上的就是电源芯片。
3)电源网络短路了?这个比较麻烦，不过要仔细看看自己原理图是否有可能这样的情况，同时结合割线的方法一步步排查倒底是什么地方短路了，是pcb的问题(一般比较烂的pcb厂就可能出现这种情况)，还是装配的问题，还是自己设计的问题。关于检查短路还有一些技巧，这在今后登出......
3)电源芯片没有输出?检查检查你的电源芯片输入是否正常吧，还需要检查的地方有使能信号，分压电阻，反馈网络......
4) 电源芯片输出值不在预料范围?如果超过很离谱，比如到了10%，那么看看分压电阻先，这两个分压电阻一般要用1%的精度，这个你做到了没有，同时看看反馈网络吧，这也会影响你的输出电源的范围。
5)电源输出正常了，别高兴，如果有条件的话，拿示波器看看吧，看看电源的输出跳变是否正常。也就是抓取开电的瞬间，看看电源从无到有的情况(至于为什么要看着个，嘿嘿......专业人士还是要看的～)
6)To be continued......
这一节谈谈电源。
无疑电源设计是整个电路板最重要的一环。电源不稳定，其他啥都别谈。我想不用balabala述说它究竟有多么重要了。
在电源设计我们用得最多的场合是，从一个稳定的&高&电压得到一个稳定的&低&电压。这也就是经常说的DC-DC(直流-直流)，而直流-直流
中用得最多的电源稳压芯片有两种，一种叫LDO(低压差线性稳压器，我们后面说的线性稳压电源，也是指它)，另一种叫PWM(脉宽调制开关电
源，我们在本文也称它开关电源)。我们常常听到PWM的效率高，但是LDO的响应快，这是为什么呢?别着急，先让我们看看它们的原理。
下面会涉及一些理论知识，但是依然非常浅显易懂，如果你不懂，嘿嘿，得检查一下自己的基础了。
一)线性稳压电源的工作原理
如图是线性稳压电源内部结构的简单示意图。我们的目的是从高电压Vs得到低电压Vo。在图中，Vo经过两个分压电阻分压得到V+，V+被送入放大器(我们把这个放大器叫做误差放大器)的正端，而放大器的负端Vref是电源内部的参考电平(这个参考电平是恒定的)。放大器的输出Va连接到MOSFET的栅极来控制MOSFET的阻抗。Va变大时，MOSFET的阻抗变大;Va变小时，MOSFET的阻抗变小。MOSFET上的压降将是Vs-Vo。
现在我们来看Vo是怎么稳定的，假设Vo变小，那么V+将变小，放大器的输出Va也将变小，这将导致MOSFET的阻抗变小，这样经过同样的电流，MOSFET的压差将变小，于是将Vo上抬来抑制Vo的变小。同理，Vo变大，V+变大，Va变大，MOSFET的阻抗变大，经过同样的电流，MOSFET的压差变大，于是抑制Vo变大。
二)开关电源的工作原理
如上图，为了从高电压Vs得到Vo，开关电源采用了用一定占空比的方波Vg1,Vg2推动上下MOS管，Vg1和Vg2是反相的，Vg1为高，Vg2为低;上MOS管打开时，下MOS管关闭;下MOS管打开时，上MOS管关闭。由此在L左端形成了一定占空比的方波电压，电感L和电容C我们可以看作是低通滤波器，因此方波电压经过滤波后就得到了滤波后的稳定电压Vo。Vo经过R1、R2分压后送入第一个放大器(误差放大器)的负端V+，误差放大器的输出Va做为第二个放大器(PWM放大器)的正端，PWM放大器的输出Vpwm是一个有一定占空比的方波，经过门逻辑电路处理得到两个反相的方波Vg1、Vg2来控制MOSFET的开关。
误差放大器的正端Vref是一恒定的电压，而PWM放大器的负端Vt是一个三角波信号，一旦Va比三角波大时，Vpwm为高;Va比三角波小时，Vpwm为低，因此Va与三角波的关系，决定了方波信号Vpwm的占空比;Va高，占空比就低，Va低，占空比就高。经过处理,Vg1与Vpwm同相，Vg2与Vpwm反相;最终L左端的方波电压Vp与Vg1相同。如下图
当Vo上升时，V+将上升，Va下降，Vpwm占空比下降，经过们逻辑之后，Vg1的占空比下降，Vg2的占空比上升，Vp占空比下降，这又导致Vo降低，于是Vo的上升将被抑制。反之亦然。
三)线性稳压电源和开关电源的比较
懂得了线性稳压电源和开关电源的工作原理之后，我们就可以明白为什么线性稳压电源有较小的噪声，较快的瞬态响应，但是效率差;而开关电源噪声较大，瞬态响应较慢，但效率高了。
线性稳压电源内部结构简单，反馈环路短，因此噪声小，而且瞬态响应快(当输出电压变化时，补偿快)。但是因为输入和输出的压差全部落在了MOSFET上，所以它的效率低。因此，线性稳压一般用在小电流，对电压精度要求高的应用上。
而开关电源，内部结构复杂，影响输出电压噪声性能的因数很多，且其反馈环路长，因此其噪声性能低于线性稳压电源，且瞬态响应慢。但是根据开关电源的结构，MOSFET处于完全开和完全关两种状态，除了驱动MOSFET，和MOSFET自己内阻消耗的能量之外，其他能量被全部用在了输出(理论上L、C是不耗能量的，尽管实际并非如此，但这些消耗的能量很小)。
先写part 8，待到图片能上传再添补 part 6,7做为描述开关电源原理，以及LDO与开关电源比较之用。
这一部分澄清高速信号认识的一些误区。
一) 高速看的是信号沿，不是时钟频率。
1) 一般而言，时钟频率高的，其信号上升沿快，因此一般我们把它们当成高速信号;但反过来不一定成立，时钟频率低的，如果信号上升沿依然快的，一样要把它当成高速信号来处理。根据信号理论，信号上升沿包含了高频信息(用傅立叶变换，可以找出定量表达式)，因此，一旦信号上升沿很陡，我们应该按高速信号来处理，设计不好，很可能出现上升沿过于缓慢，有过冲，下冲，振铃的现象。比如，I2C信号，在超快速模式下，时钟频率为1MHz，但是其规范要求上升时间或下降时间不超过120ns!确实有很多板I2C就过不了关!
2)因此，我们更应该关注的是信号带宽。根据经验公式，带宽与上升时间(10%~90%)的关系为 Fw * Tr = 3.5
二) 示波器选择
1) 很多人注意到了示波器的采样率，没有注意到示波器的带宽。但往往示波器带宽是一个更重要的参数。一些人以为只要示波器采样率满足超过信号时钟频率的两倍就行了，这是大错特错。错误的原因是错误的理解了采样定理。采样定理1说明了当采样频率大于信号最大带宽的两倍，就能完美地恢复原信号。但是，采样定理指的信号是带限信号(带宽是有限的)，与现实中的信号严重不符。我们一般的数字信号，除了时钟之外，都不是周期的，从长时间来看，其频谱是无限宽的;要能捕获到高速信号，就不能对其高频分量太多的失真。示波器带宽指标与此息息相关。因此，真正要注意的依然是用示波器捕获的信号的上升沿失真在我们可接受的范围。
2) 那么选多高带宽的示波器才合适呢?理论上5倍于信号带宽的示波器捕获的信号比原信号损失不到3%。如果要求损失更宽松，那就可以选择更低端的示波器。用到3倍于信号带宽的示波器应该能满足大多数要求。但是不要忘了你探头的带宽!
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发表评论：
馆藏&37923
TA的推荐TA的最新馆藏[转]&[转]&[转]&[转]&[转]&[转]&设计电路难吗？
能自主设计电路是什么水平？感觉包括题主在内的很多学电子的大学生完全看懂一个电路都感觉有困难
按时间排序
微电子和电路设计这行的门槛本来就高~~硬吃学位不说， 还要加很多年经验才能成才。 很多人坚持不到大成，就转行了。 首先理论就要很厚才行（电磁学+微积分+微分方程+积分变换）是数理的地基电路分析+微电子电路（也就是俗称模电）+信号与系统 是专业基础光这两层基础门槛，很多人就一辈子都只能在这行的门外站着了。跨了这坎，才有资格去细谈专业。搞通信的，编码的， 搞信号处理，图像处理的，最后就是拼数学，拼算法。 搞PCB设计，IC设计的，多年的媳妇熬成婆， 拼的经验和团队。还有女博士们曾经很喜欢的EMC，满屋子奇行怪状的天线和shielding，每次进她们屋，都想对她们说， “你们这是要疯？！！”~~不过电子这行不是特别吃天赋， 努力和毅力可以带来不错的回报。不像CS，纯吃脑力的行业， 一个智商不足140的，譬如鄙人，去玩算法导论，去参加竞赛， 人家天才5分钟编出来满分， 你半个小时不见得能出的来， 如此想想EE还是比较温和的，毕竟传统行业，第二产业嘛~~跟人家三产CS没得比~~所以别羡慕IT的人收入高， 人家智商还高呢~~
说不然的先做个能用的直流可调稳压电源试试。0～30V，0～5A。其他参数再说。
需求不一样，设计的难度也就不一样。自己插面包板，给宇宙飞船画电路图都叫设计电路，你说难不难。
知乎首答，我是个年轻的数字电路设计工程师。发现所有答案都是在回答模拟电路而没有数字电路的，就添加一个关于数字电路的回答设计数字电路的难度随着电路规模的增大承几何级增长。简单的电路比如红绿灯控制器，电梯控制器，一个熟练的工程师几小时就能完成。复杂的巨大的数字电路设计比如cpu，gpu那得有几十个天赋迥异，工作数十年的大牛工程师（几乎业界都是老外）下面带着几十个工作小组，每个工作小组又有数十上百个工程师花费数年才能实现完成一次在原有电路上较大更新的程度。此中设计复杂度难度，工作量可想而知。
工程上设计原理图和pcb没有什么高深的理论公式 。原理图基本都是各种ic的排列组合，外围电路在手册中都有经典电路，直接抄下来就好。如果想自己用三极管搭建个功能也不难，管子的参数，阻容值都凭借经验直接定了。剩下的一些保护电路记得做好，就差不多了。pcb的话
多画几板就会形成自己风格的一个习惯，比如有的人按照电压高低分离，功率与逻辑分离，电容紧挨ic，线尽量粗，跳线容错等等。。。更深入的要靠自学和进入大公司了，否则做两年就变成连连看了。最后一个老司机的忠告：板子一定要美观！
顺便发几张课堂上做得小练习。好吧，我是来水的
设计电路不容易，可以说很难，而且不挣钱。
这么说吧，设计电路系统不难，但是设计好的电路系统很难特别难。原本EE出身，但是搞的软件，你现在让我设计一个电路实现某个功能，OK，我能搞定，但是设计出来的东西能不能用，能用多长时间，有多稳定，能不能在极端条件下运行，那可就不好说了……这就是高手和新手的区别，也是好的电路系统和差劲的电路系统的区别……换句话说，这个世界很多事（当然包含设计电路）都不难，难的是把这件事做的漂亮……
电路设计难不难？小时候看爸爸经常焊接电路块，对电视后面的变压器非常感兴趣。当时并不觉得这有什么。上大学之后，学了这个专业，心想只要好好学，都是不难的。等真正去学习电路设计，发现真的不是很简单，一个电路的设计需求可能还好容易满足，但是如何真正的配合好，还是很重要的。所以，所以，现在真心觉得，设计电路可能是一个技术活，但是如何配合使用，如果对电路进行定义，如何加载适用条件，这是很关键的一个环节。
作为一个没入门的(前)EE,刚去实习那会儿,带我的师傅就跟我说,要我先修两年板子...慢慢学习...5年可入门...
不请自来。进行我知乎第一答。因为我是新人，介绍一下自己的背景，大家可以大致对我的知识结构有一个简单了解：精密仪器电路系统设计，医疗仪器设计从业10年，主要从事项目管理和对本部门工程师所做设计的审查和批准。坐标加州此回答所有的内容都基于“系统级电路设计”这个前提，而不涉及“大规模集成电路，可编程逻辑电路”等方面的内容。考虑到有些朋友可能对工程项目的一般流程并不十分了解，我在答案最前面再简单罗列一下研发项目的一般流程。1. Concept design-解决这个项目是做什么，做成以后达到什么效果。2. Feasibility: 可行性阶段，解决这个项目由我们所掌握的资源和技术积累是否可能做出来，是否有跟数理公理定律相违反的情况。3 . Design: 就是题主说的“设计”也就是在明确知道这个功能可以实现的基础上用各种手段创造出我们想要的设计图纸。4. Implementation: 通过公司内部或者外部的资源把设计实体化。5. Verification: 包括电路具体功能的测试和debug。6. Validation: 将现有模块放入更高一级对象的环境下进行考察和测试。设计电路难么？1:什么是工程直觉（engineering sense）在不深入到具体的技术细节之前我想先谈一下所谓的engineering sense。这个是国内高校老师很少涉及到的内容。什么是engineering sense：在时间，人力，资源，目标，所在团体的技术储备这些多方面的限制条件下，合理地进行取舍的能力。做设计，并不是在解决“可不可能实现”的问题，这一问题应该在concept design和feasiblity已经解决了。做设计解决的是“在我拥有的条件下如何实现”的问题。所以从这个角度上来说，不具备engineering sense,做任何工程设计都是困难的。2:如何习得和锻炼自己的工程直觉对一个尚未入行的在读学生来说，比修炼工程直觉更重要的事情是习得本行业最基础的一些概念跟技能。对一个没有摸透奈奎斯特采样定理，对傅立叶变换也缺乏直觉的新人来说，他自然是无法从工作中接触到的数模混合电路中习得前人高妙的设计理念的。所以我在面试新人的时候，更多的会注重对原理的理解，数理基础这些方面进行考察确认其属于可造之材。对于已经在以前的学习里掌握了基本理论的入门者来说，如何习得工程直觉。面临着想要达到的一个设计目标，可以采用的设计方案可以有千千万万，不同路径之间的试错次数和迭代次数不可同日而语。这就要求入门者要对“可为”和“不可为”逐渐建立自己的判断。并将这个判断逐渐运用于之后的设计之中。关于这个话题想说的太多，恐怕影响回答可读性和问题相关性，恕不赘述。3. 拥有工程直觉和一定程度的知识积累，设计不难。在懂得如何利用已有资源，合理取舍，并且对电路相关的数理基础有概念的情况下，设计并不是一件难事。后期对设计的实现和验证可能会有难易的差别，但不会出现题主所说的感觉无法入门无法可想的挠头感。4. 设计的质量提高，深不见底，可一生追求。从这个角度上来说任何工程设计都是难的。因为你可以有无限的提高空间。但这也是一个行业值得坚持的原因之一。倘若干了三五年便没有任何提高空间了，那意味着从业者互相之间的可置换性很强，在人力市场中议价能力极弱。而电路设计方面之广，深度之深，完全可以作为一生的职业道路。延伸阅读：为什么实际电路和书本上讲的差别这么大硬件研发从业者如何实现技术积累
最终转行学认知神经了我_(:з」∠)_
(?o??ωo???)难也不难。做出电路图简单，仿真就要老命了，实物就更是操蛋。 也许变压器不好，也许某部分灰尘过多，也许有次不小心电容就击穿了，还有芯片莫名锁死。 还有一点，元器件也是有工艺的，实物需要考虑元器件的特性。
搭鸡窝和盖哈利法塔的难度是不一样的，设计电路同理，高端的难，低端的容易。
首先要看是什么电路，包含哪些部件或模块如果是简单电路，像是搞几个串联并联搞几个灯泡等等的电路，一般学过电学知识的中学生也可以设计。但是如果是包含三极管，二极管等等的电路，就会复杂一点如果要设计含有与门，或门，非门的逻辑电路，那电学知识可能就不是最重要的了，可能需要一些逻辑思维能力
我就记得老师说电路转弯的地方要做成弧形的hh
你这个问题十分可笑。因为你还属于未入门的范畴。你作为一个外行或边缘人的时候，你看什么都有这种质问。你看做菜难吗？你看开车难吗？你看理发难吗？你看种地难吗？你看木工难吗？……难不难不在于对象，而在于你有没有想去做和想去做好的心态。难者不会，会者不难，就是这个意思。
厕所的灯，与mes系统的设计，都是电路设计！登月火箭与钻天猴的设计师，都是火箭设计师！
看了下其他回答，修正下：以下主要面对应用。楼主的问题太大，细分到不同行业都有不同。我根据自己了解的情况说下，弱电和电源。电路设计分为两步：1-功能性原理性设计。 非原创性设计：根据经典电路、前人积累、公司资源等作适应性修改。 原创性设计：难，看技术、经验。 要完成计算、仿真、布板等工作。2-环境适应（振动冲击、高低温等）设计、电磁兼容设计、可靠性设计、安全设计、维修设计等 条目2可以理解为对 1 的约束。比如元器件选型，元器件使用，降额冗余设计，滤波、抗冲击等。很大程度上有工程经验可以参考，根据理论、两相对照。 学校主要训练条目1，工作主要学习条目2。 LZ可以综合自己的方向，列举技能树，修炼。 上班第一天答题，匿了～
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