通信电子线路讲义讲稿.ppt

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1、关于通信电子线路讲义第一页,讲稿共五十七页哦第二页,讲稿共五十七页哦第三页,讲稿共五十七页哦第五章第五章 正弦波振荡器正弦波振荡器第第1节节 概述概述第第2节节 反馈型反馈型LC振荡原理振荡原理第第3节节 反馈型反馈型LC振荡器振荡器第第4节节 振荡器的频率稳定原理振荡器的频率稳定原理第第5节节 高稳定度的高稳定度的LC振荡器振荡器第第6节节 晶体振荡电路晶体振荡电路第四页,讲稿共五十七页哦教学基本要求教学基本要求1.掌握掌握反馈式正弦波振荡器的基本工作原理反馈式正弦波振荡器的基本工作原理。2.掌握掌握LC振荡器、晶体振荡器的电路组成、工作原振荡器、晶体振荡器的电路组成、工作原理和性能特点理和

2、性能特点。3.了解了解频率稳定度的概念、影响频率稳定度的因素,频率稳定度的概念、影响频率稳定度的因素,掌握掌握改善频率稳定度的措施改善频率稳定度的措施。第五页,讲稿共五十七页哦振荡器的应用:振荡器的应用:载波发生器(发射机)载波发生器(发射机)本地振荡器(接收机)本地振荡器(接收机)测量仪器信号源(时间测量仪器信号源(时间/频率标准)频率标准)5.1 概述概述振荡器的主要技术指标:振荡器的主要技术指标:振荡频率振荡频率 频率稳定度频率稳定度 振荡幅度振荡幅度 振荡波形振荡波形第六页,讲稿共五十七页哦第七页,讲稿共五十七页哦放大器放大器A(s)反馈网络反馈网络F(s)5.2 反馈型反馈型LC振荡

3、原理振荡原理第八页,讲稿共五十七页哦为了得到自激振荡的输出电压,使振荡能够为了得到自激振荡的输出电压,使振荡能够建立建立起来,需满足:起来,需满足:为振荡器的为振荡器的起振条件起振条件,其中:,其中:A0是电源接通时的电压增益。是电源接通时的电压增益。增幅振荡增幅振荡正反馈正反馈 振荡建立的振荡建立的起振条件起振条件 自激振荡器无输入信号条件下,满足维持振荡条件,振荡能否建立起来?自激振荡器无输入信号条件下,满足维持振荡条件,振荡能否建立起来?(a)通电后,集电极电流产生跃变在谐振回路中激起振荡。通电后,集电极电流产生跃变在谐振回路中激起振荡。(b)谐振回路选频作用。谐振回路选频作用。(c)因

4、为:因为:Uc(n+1)=AUi=AUf=AFUc(n)所以:所以:Uc(n+1)=AFUc(n)数值很小,不可能得到振荡输出电压。数值很小,不可能得到振荡输出电压。因为:因为:Uc(n+1)=A0Ui=A0Uf=A0FUc(n)所以:所以:Uc(n+1)Uc(n)起振过程起振过程:微小的扰动电压经微小的扰动电压经放大放大 选频选频 反馈反馈 再放大再放大 再选频再选频 再反馈再反馈 如如此循环,振荡电压就会增长起来,建立了振荡。此循环,振荡电压就会增长起来,建立了振荡。第九页,讲稿共五十七页哦2.振荡的平衡与平衡条件振荡的平衡与平衡条件(1)起振后,振荡是否无限增大下去?起振后,振荡是否无限

5、增大下去?(A0F1为增幅震荡)为增幅震荡)(3)平衡状态平衡状态(大信号工作)(大信号工作)平衡后工作在什么状态?平衡后工作在什么状态?平衡平衡时:时:起振起振时为小信号放大,时为小信号放大,A=A0,甲类状态,甲类状态,c=180o,所以,所以A0=gcRp由于晶体管的非线性,振荡从线性放大进入失真的非线性状态。波形失真,由于晶体管的非线性,振荡从线性放大进入失真的非线性状态。波形失真,其电流的直流分量产生负反馈,使工作点向负变化。其电流的直流分量产生负反馈,使工作点向负变化。A,直到,直到AF=1达到等达到等幅震荡。幅震荡。A0AuBEic第十页,讲稿共五十七页哦2A0F1时,时,1(c

6、)0.5,所以,所以180o c 90o,平衡后为,平衡后为甲乙类甲乙类;A0F=2时,时,(c)=0.5,所以所以 c=90o,平衡后为平衡后为乙类乙类;A0F2时,时,(c)0.5,所以所以 c 1,满足起振条件,满足起振条件 平衡时:平衡时:AF=A0n(q)F=1 则:则:n(q)=0.625=(1-cosqc)a1(qc)则:则:qc=101.5o 则:则:平衡时放大器工作在甲乙类状态平衡时放大器工作在甲乙类状态第十三页,讲稿共五十七页哦(1)A0=10,F=0.2时时分析:分析:起振时:起振时:A0F=21,满足起振条件,满足起振条件 平衡时:平衡时:AF=A0n(q)F=1 则:

7、则:n(q)=0.5=(1-cosqc)a1(qc)则:则:qc=90o 则:则:平衡时放大器工作在乙类状态平衡时放大器工作在乙类状态(1)A0=20,F=0.2时时分析:分析:起振时:起振时:A0F=41,满足起振条件,满足起振条件 平衡时:平衡时:AF=A0n(q)F=1 则:则:n(q)=0.25=(1-cosqc)a1(qc)则:则:qc=66.3o 则:则:平衡时放大器工作在丙类状态平衡时放大器工作在丙类状态第十四页,讲稿共五十七页哦3.振荡平衡的稳定条件振荡平衡的稳定条件(1)稳定平衡定义:)稳定平衡定义:指某一外因的变化使振荡指某一外因的变化使振荡的原平衡条件遭到破坏,振荡器能在

8、新的条件的原平衡条件遭到破坏,振荡器能在新的条件下建立新的平衡。当外因去掉后,电路能自动下建立新的平衡。当外因去掉后,电路能自动返回原平衡状态。返回原平衡状态。振幅稳定条件振幅稳定条件:包括:包括:振幅稳定条件振幅稳定条件和和相位稳定条件相位稳定条件相位稳定条件:相位稳定条件:c cc c0 0YFYFYFYFz zYFYFUcUcA0A0AAQ2QQ1UcQ2UcQ1UcQ1/FQQ1B1/F第十五页,讲稿共五十七页哦4.振荡电路分析实例振荡电路分析实例VTRb1Rb2ReCeCL1LfECCbM主网络主网络反馈网络反馈网络+ui-ic-uo+uf-ibuiuoA1/F可见起振初期是一个增幅

9、的振荡过程可见起振初期是一个增幅的振荡过程 第十六页,讲稿共五十七页哦总结总结起振条件起振条件平衡条件平衡条件平衡的稳定条件平衡的稳定条件第十七页,讲稿共五十七页哦5.3 反馈型反馈型LC振荡器振荡器 电源电源有源器件有源器件 选频网络选频网络反馈网络反馈网络第十八页,讲稿共五十七页哦1.互感耦合振荡电路互感耦合振荡电路共基调集共基调集利用利用L1和和L2之间的互感来实现正之间的互感来实现正反馈,适用于短波段以下反馈,适用于短波段以下。优点:互感耦合振荡电路在调整反优点:互感耦合振荡电路在调整反馈(改变馈(改变M)时,基本不影响)时,基本不影响振荡频率振荡频率判断是否可能振荡的方法,以能否满足

10、相位平衡条件,即是否构判断是否可能振荡的方法,以能否满足相位平衡条件,即是否构成正反馈为判断准则。成正反馈为判断准则。瞬时极性法瞬时极性法来判断是否为正反馈。来判断是否为正反馈。振荡频率的估算:振荡频率的估算:共基放大电路为同向放大。共基放大电路为同向放大。L1和和L2的的同名端同名端接法决定是接法决定是否满足正反馈的要求。否满足正反馈的要求。第十九页,讲稿共五十七页哦共射调基共射调基共基调射共基调射注意:注意:L1和和L2的同名端接法,从而满足相位平衡条件;的同名端接法,从而满足相位平衡条件;由于输入阻抗低,采用部分接入法,不影响由于输入阻抗低,采用部分接入法,不影响Q值。值。其它电路形式其

11、它电路形式+-+-+-第二十页,讲稿共五十七页哦C1C2LLECRb1Rb2ReCeCbC2C1Lc2.电容反馈振荡电路电容反馈振荡电路(Colpitts Oscillators)+uce-+ube -LECRb1Rb2ReCeCbC2C1Lc第二十一页,讲稿共五十七页哦三点式振荡器的原理电路三点式振荡器的原理电路 假假定定LC回回路路由由纯纯电电抗抗元元件件组组成成,其其电电抗抗值值分分别别为为ce,be和和bc,同同时时不不考考虑虑晶晶体体管管的的电电抗抗效效应应,则则当当回回路路谐谐振振(=0)时时,回回路路呈呈纯纯阻阻性性,有有:ce+bebc=0,因此:,因此:cebebc 由于由于

12、 是是 在在bebc支路分配在支路分配在Xbe上的电压上的电压,有有因因要要求求是是一一个个正正反反馈馈反反相相放放大大器器,与与 同同相相,与与 反相反相,所以所以 即即be与与ce必须是同性质电抗必须是同性质电抗,因而因而Xbc必须是异性质电抗。必须是异性质电抗。第二十二页,讲稿共五十七页哦振荡器的等效电路电压向量图第二十三页,讲稿共五十七页哦C1C2LC2C1LgiegLgoegmube+uce-+ube-iC1LgiegLgmubegoe+ube-i+uce-C2+uce-C2LC1gLgoegmubep2gie+ube-i电压增益电压增益起振条件起振条件 得得第二十四页,讲稿共五十七

13、页哦总结:总结:(1)满足起振条件是选取晶体管的)满足起振条件是选取晶体管的(2)晶体管一旦选定)晶体管一旦选定(参数参数 一定一定)可以改变可以改变F和和 来保证起振。来保证起振。F一般选取一般选取0.1-0.5。即适当选择。即适当选择C1和和C2的值的值(5)振荡频率的估算)振荡频率的估算其中其中:第二十五页,讲稿共五十七页哦ECL1L2CRb1Rb2CbCeReL1L2C3.电感三点式振荡电路电感三点式振荡电路(Hartly Oscillators)L2L1CgLgoegmubep2gie+ube-+uce-+uce-+ube-iigL=gL+gO|yfe|=gm第二十六页,讲稿共五十七

14、页哦(4 4)振荡频率的估算)振荡频率的估算其中:其中:L2L1CgLgoegmubep2gie+ube-+uce-i要求要求 ,忽略,忽略 、的影响,可得:的影响,可得:gL=gL+gO|yfe|=gm第二十七页,讲稿共五十七页哦注意注意:(:(1)电感三点式与电容三点式振荡电路的比较电感三点式与电容三点式振荡电路的比较电容三点式电容三点式电感三点式电感三点式波形波形较好较好较差较差频率频率较高较高较低较低频率稳定度频率稳定度较好较好较差较差起振、调节起振、调节较难较难较易较易这是用来判断三点式振荡器这是用来判断三点式振荡器有没有可能振荡的基本原则有没有可能振荡的基本原则(2)LC三点式振荡

15、器相位平衡条件的判断准则三点式振荡器相位平衡条件的判断准则 Xce与与Xbe的电抗性质相同;的电抗性质相同;Xcb与与Xce、Xbe的电抗性质相反;的电抗性质相反;对于振荡频率,满足对于振荡频率,满足Xce+Xbe+Xcb=0。第二十八页,讲稿共五十七页哦5.4 振荡器的频率稳定性振荡器的频率稳定性短短 波波 发发 射射 机:机:10-410-5军用大型通信:军用大型通信:10-8第二十九页,讲稿共五十七页哦 放大器放大器LC选频选频 反馈网络反馈网络uiic1ZLuouf第三十页,讲稿共五十七页哦第三十一页,讲稿共五十七页哦其中:其中:且:且:000第三十二页,讲稿共五十七页哦 Q第三十三页

16、,讲稿共五十七页哦(1)减小外因的变化)减小外因的变化 温度变化可以采用恒温措施;温度变化可以采用恒温措施;湿度变化采用将电感线圈密封或固化;湿度变化采用将电感线圈密封或固化;电源电压变化采用稳压电源;电源电压变化采用稳压电源;机械振动采用减震措施;机械振动采用减震措施;负载变化采用射随器隔离。负载变化采用射随器隔离。(2)提高电路参数抗外因变化的能力)提高电路参数抗外因变化的能力 选用正温度系数的电感和负温度系数的电容组成谐振回路进行选用正温度系数的电感和负温度系数的电容组成谐振回路进行 温度补偿。温度补偿。减小晶体管极间电容不稳定量减小晶体管极间电容不稳定量 、对回路总电容对回路总电容 的

17、影响,可采的影响,可采用部分接入方式的克拉泼电路、西勒电路和晶体振荡器。用部分接入方式的克拉泼电路、西勒电路和晶体振荡器。选用高选用高Q的元件。的元件。选用选用 小的电容三点式振荡电路形式。小的电容三点式振荡电路形式。第三十四页,讲稿共五十七页哦 5.5 高稳定度的高稳定度的LC振荡器振荡器1.一般电容三点式振荡电路频率稳定性的分析一般电容三点式振荡电路频率稳定性的分析当当 、没变化时,回路总没变化时,回路总电容电容 对应振荡频率为对应振荡频率为:第三十五页,讲稿共五十七页哦而而 、与晶体管工作状态和外界与晶体管工作状态和外界条件有关。条件有关。当当 变化变化Co,变化变化Ci时,总电容时,总

18、电容的增量的增量:结论:结论:一般电容三点式振荡电路一般电容三点式振荡电路 p1、p2 不可能同时减小,故频率不可能同时减小,故频率稳定度不可能做得较高。稳定度不可能做得较高。第三十六页,讲稿共五十七页哦2.克拉泼(克拉泼(Clapp)振荡电路)振荡电路在电感支路串接小电容在电感支路串接小电容C3满足满足C3C1,C3C2 回路总电容为:回路总电容为:(1)电路特点电路特点(2)相位平衡条件(正反馈)相位平衡条件(正反馈)为容抗,为容抗,为容抗同性质。为容抗同性质。可等效为感抗,可等效为感抗,与与 、反性质。反性质。满足电容三点式振荡器相位平衡条件判断准则,满足电容三点式振荡器相位平衡条件判断

19、准则,为电容三点式振荡电路。为电容三点式振荡电路。第三十七页,讲稿共五十七页哦(3)振荡频率振荡频率因为因为所以振荡频率为:所以振荡频率为:(4)稳频原理稳频原理总的电容增量为:总的电容增量为:其中其中p1、p2可以同时减小,可以同时减小,可很小,故频率稳定度比一般电容三点式高。可很小,故频率稳定度比一般电容三点式高。结论结论:p1、p2 的减小受到电路起振条件的限制,频率稳定度不可能很高。的减小受到电路起振条件的限制,频率稳定度不可能很高。克拉泼电路主要用作克拉泼电路主要用作固定频率振荡器。固定频率振荡器。第三十八页,讲稿共五十七页哦3.西勒(西勒(Siler)振荡电路)振荡电路第三十九页,

20、讲稿共五十七页哦(2)相位平衡条件(正反馈)相位平衡条件(正反馈)为容抗,为容抗,为容抗同性质。为容抗同性质。可等效为感抗,与可等效为感抗,与 、反性质。满足电容三点式振荡器反性质。满足电容三点式振荡器的相位平衡条件判断准则,为电容三点式振荡电路。的相位平衡条件判断准则,为电容三点式振荡电路。(3)振荡频率振荡频率(1)电路特点:电路特点:西勒电路是在克拉泼电路基础上,在电感西勒电路是在克拉泼电路基础上,在电感 L 两端并联一个电容两端并联一个电容 。电路条件仍是电路条件仍是C3C1,C3C2,与与 同数量级。同数量级。回路总电容为:回路总电容为:(4)总结总结 这种电路保持了克拉泼电路中晶体

21、管与回路耦合弱的特点,频率稳定度高。调频这种电路保持了克拉泼电路中晶体管与回路耦合弱的特点,频率稳定度高。调频时,输出振荡电压幅度基本平稳,可作为时,输出振荡电压幅度基本平稳,可作为变频振荡器变频振荡器。第四十页,讲稿共五十七页哦CoCgCoCg5Cg3CgLgLg3Lg5LgRg 5.6 晶体振荡器晶体振荡器(Crystal Oscillator)第四十一页,讲稿共五十七页哦CoCqLqRqSo:(12 50025 000)如:国产如:国产B45 1MHz中等精度晶体的等效参数:中等精度晶体的等效参数:Lq=4.00H,Cq=0.0063pF,rq100200,Co=23 pF。因而晶体的品

22、质因数。因而晶体的品质因数Qq很大,一般为几万至几百万。很大,一般为几万至几百万。第四十二页,讲稿共五十七页哦CoCqLqrqfqfp电容性电容性电容性电容性电电感感性性 fXeO忽略忽略rq时:时:当当 和和 时,时,晶体等效为电容;,晶体等效为电容;当当 时,时,晶体等效为短路;晶体等效为短路;当当 时,时,晶体等效为电感;晶体等效为电感;当当 时,时,晶体为并联谐振。晶体为并联谐振。总结:总结:晶体使用的两种模式:晶体使用的两种模式:时,时,晶体晶体 短路线短路线时,时,晶体晶体 电感电感第四十三页,讲稿共五十七页哦CLJTC1C2JT3.并联型晶体振荡器并联型晶体振荡器(Paralle

23、l of Crystal Oscillators)第四十四页,讲稿共五十七页哦ECJTC2C3C1Rb1Rb2CbReLc晶晶体体C1C2JTC3第四十五页,讲稿共五十七页哦LqCqrqCoC1C2C3电路的谐振频率的估算电路的谐振频率的估算:第四十六页,讲稿共五十七页哦C1CcCeRb1Rb2ReL1LEcJTC2C1C2L1JT第四十七页,讲稿共五十七页哦C1C2C3JTLRb1Rb2RcReCbCcC1C2C3JTCoLEc4.串联型晶体振荡器串联型晶体振荡器(Series of Crystal Oscillators)第四十八页,讲稿共五十七页哦CoCgCoCg5Cg3Cg3LgLg3

24、Lg5Lg3Rg35.泛音晶振电路泛音晶振电路实实际际应应用用时时:在在三三点点式式振振荡荡电电路路中中,用用一一选选频频回回路路来来代代替替某某一一支支路路上上的的电电抗抗元元件件,使使该该支支路路在在基基频频和和低低次次泛泛音音上上呈呈现现的的电电抗抗性性质质不不满满足足三三点点式式振振荡荡器器的的组组成成法法则则,不不能能起起振振;而而在在所所需需要要的的泛泛音音频频率率上上呈呈现现的的电抗性质恰好满足组成法则,电抗性质恰好满足组成法则,达到起振达到起振。泛音泛音石英片振动的机械谐波石英片振动的机械谐波第四十九页,讲稿共五十七页哦设设泛泛音音晶晶振振为为五五次次泛泛音音,标标称称频频率率

25、5MHz,基基频频1MHz,则则LC1回回路路必必须须调调谐谐在在三三次次和和五五次次泛泛音音频频率率之之间间。这这样样在在5MHz频频率率上上,LC1回回路路呈呈容容性性,振振荡电路满足组成法则。荡电路满足组成法则。对对于于基基频频和和三三次次泛泛音音频频率率来来说说,LC1回回路路呈呈感感性性,电电路路不不符符合合组组成成法法则,不能起振。则,不能起振。在在七七次次及及以以上上泛泛音音频频率率,LC1回回路路虽虽呈呈容容性性,但但等等效效容容抗抗减减小小,从从而而使使电电压压放放大大倍数减小,环路增益小于倍数减小,环路增益小于1,不满足振幅起振条件。,不满足振幅起振条件。图中:图中:第五十

26、页,讲稿共五十七页哦6.石英晶体使用注意事项石英晶体使用注意事项(1)石石英英晶晶体体谐谐振振器器的的标标称称频频率率都都是是在在出出厂厂前前,石石英英晶晶体体谐谐振振器器上上并并接接一一定定负负载载电电容容条条件件下下测测定定的的,实实际际使使用用时时也也必必须须外外加加负负载载电电容容,并并经经微微调调后后才才能能获得标称频率。获得标称频率。(2)石英晶体谐振器的激励电平应在规定范围内。石英晶体谐振器的激励电平应在规定范围内。(3)在在并并联联型型晶晶体体振振荡荡器器中中,石石英英晶晶体体起起等等效效电电感感的的作作用用,若若作作为为容容抗抗,则则在在石石英英晶晶片片失失效效时时,石石英英

27、谐谐振振器器的的支支架架电电容容还还存存在在,线线路路仍仍可可能能满满足足振荡条件而振荡,石英晶体谐振器失去了稳频作用。振荡条件而振荡,石英晶体谐振器失去了稳频作用。(4)晶晶体体振振荡荡器器中中一一块块晶晶体体只只能能稳稳定定一一个个频频率率,当当要要求求在在波波段段中中得得到到可可选选择择的的许许多多频频率率时时,就就要要采采取取别别的的电电路路措措施施,如如频频率率合合成成器器,它它是是用用一一块块晶晶体体得得到到许许多多稳稳定定频频率率,频频率率合合成成器器的的有有关关内内容容将将在在第第8章介绍。章介绍。第五十一页,讲稿共五十七页哦本章小结本章小结 本本章章介介绍绍了了反反馈馈振振荡

28、荡原原理理和和反反馈馈型型正正弦弦波波振振荡荡器器的的几几种种常常用用电电路类型路类型,要点如下:要点如下:(1)反反馈馈振振荡荡器器是是由由放放大大器器和和反反馈馈网网络络组组成成的的具具有有选选频频能能力力的的正正反反馈馈系系统统。反反馈馈振振荡荡器器必必须须满满足足起起振振、平平衡衡和和稳稳定定三三个个条条件件,每个条件中应分别讨论振幅和相位要求。每个条件中应分别讨论振幅和相位要求。在在振振荡荡频频率率点点,环环路路增增益益的的幅幅值值在在起起振振时时必必须须大大于于1,且且具具有负斜率的增益有负斜率的增益振幅特性振幅特性,这是振幅方面的要求。这是振幅方面的要求。在在振振荡荡频频率率点点

29、,环环路路增增益益的的相相位位应应为为2的的整整数数倍倍,且且具具有有负负斜率的相频特性斜率的相频特性,这是相位方面的要求。这是相位方面的要求。第五十二页,讲稿共五十七页哦 (2)三三点点式式振振荡荡电电路路是是LC正正弦弦波波振振荡荡器器的的主主要要形形式式,可可分分成成电电容三点式和电感三点式两种基本类型。容三点式和电感三点式两种基本类型。频频率率稳稳定定度度是是振振荡荡器器的的主主要要性性能能指指标标之之一一。为为了了提提高高频频率率稳稳定定度度,必必须须采采取取一一系系列列措措施施,包包括括减减小小外外界界因因素素变变化化的的影影响响和和提提高高电电路路抗抗外外界界因因数数变变化化影影

30、响响的的能能力力两两方方面面。克克拉拉泼泼电电路路和和西西勒勒电电路路是是两两种种较较实实用用的的电电容容三三点点式式改改进进型型电电路路,前前者者适适合合于于作作固定频率振荡器固定频率振荡器,后者可作波段振荡器后者可作波段振荡器。(3)晶晶体体振振荡荡器器的的频频率率稳稳定定度度很很高高,但但振振荡荡频频率率的的可可调调范范围围很很小小。泛泛音音晶晶振振可可用用于于产产生生较较高高频频率率振振荡荡,但但需需采采取取措措施施抑抑制制低次谐波振荡低次谐波振荡,保证其只谐振在所需要的工作频率上。保证其只谐振在所需要的工作频率上。第五十三页,讲稿共五十七页哦学习本章内容后学习本章内容后:要要能能够够

31、识识别别常常用用正正弦弦波波振振荡荡器器的的类类型型并并判判断断其其能能否否正正常工作。常工作。在在明明确确各各种种类类型型振振荡荡器器优优缺缺点点和和适适用用场场合合的的基基础础上上,既既要要掌掌握握实实用用振振荡荡电电路路的的分分析析和和参参数数计计算算,也也要要学学会会常常用用振振荡电路的设计和调试。荡电路的设计和调试。第五十四页,讲稿共五十七页哦Rb1Rb2RcReCeCoC1C2LCbEC补充:振荡器中的几种现象补充:振荡器中的几种现象IEUB+UBE _+UE _第五十五页,讲稿共五十七页哦Rb1Rb2RcReCeCoC1C2LCbEC 2 2 当起振后当起振后ubieUE+UBE _第五十六页,讲稿共五十七页哦感感谢谢大大家家观观看看第五十七页,讲稿共五十七页哦

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