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示波器基礎(chǔ)知識(shí)講解
示波器是一種圖形顯示設(shè)備,它描繪電信號(hào)的波形曲線。這一簡(jiǎn)單的波形能夠說(shuō)明信號(hào)的許多特性:信號(hào)的時(shí)間和電壓值、振蕩信號(hào)的頻率、信號(hào)所代表電路中“變化部分”信號(hào)的特定部分相對(duì)于其它部分的發(fā)生頻率、是否存在故障部件使信號(hào)產(chǎn)生失真、信號(hào)的直流成份(DC)和交流成份(AC)、信號(hào)的噪聲值和噪聲隨時(shí)間變化的情況、比較多個(gè)波形信號(hào)等。
?。?、示波器的發(fā)展過(guò)程
初期主要為模擬示波器
廿世紀(jì)四十年代是電子示波器興起的時(shí)代,雷達(dá)和電視的開發(fā)需要性能良好的波形觀察工具,泰克成功開發(fā)帶寬10MHz的同步示波器,這是近代示波器的基礎(chǔ)。五十年代半導(dǎo)體和電子計(jì)算機(jī)的問(wèn)世,促進(jìn)電子示波器的帶寬達(dá)到100MHz。六十年代美國(guó)、日本、英國(guó)、法國(guó)在電子示波器開發(fā)方面各有不同的貢獻(xiàn),出現(xiàn)帶寬6GHz的取樣示波器、帶寬4GHz的行波示波管、1GHz的存儲(chǔ)示波管;便攜式、插件式示波器成為系列產(chǎn)品。七十年代模擬式電子示波器達(dá)到高峰,行譜系列非常完整,帶寬1GHz的多功能插件式示波器標(biāo)志著當(dāng)時(shí)科學(xué)技術(shù)的高水平,為測(cè)試數(shù)字電路又增添邏輯示波器和數(shù)字波形記錄器。模擬示波器從此沒有更大的進(jìn)展,開始讓位于數(shù)字示波器,英國(guó)和法國(guó)甚至退出示波器市場(chǎng),技術(shù)以美國(guó)**,中低檔產(chǎn)品由日本生產(chǎn)。
模擬示波器要提高帶寬,需要示波管、垂直放大和水平掃描**推進(jìn)。數(shù)字示波器要改善帶寬只需要提高前端的A/D轉(zhuǎn)換器的性能,對(duì)示波管和掃描電路沒有特殊要求。加上數(shù)字示波管能充分利用記憶、存儲(chǔ)和處理,以及多種觸發(fā)和預(yù)前觸發(fā)能力。廿世紀(jì)八十年代數(shù)字示波器異軍突起,成果累累,大有**取代模擬示波器之勢(shì),模擬示波器逐漸從前臺(tái)退到后臺(tái)。
但是在發(fā)展初期模擬示波器的某些特點(diǎn),卻是數(shù)字示波器所不具備的:
○ 操作簡(jiǎn)單:全部操作都在面板上可以找到,波形反應(yīng)及時(shí),數(shù)字示波器往往要較長(zhǎng)處理時(shí)間。
○ 垂直分辨率高:連續(xù)而且無(wú)限級(jí),數(shù)字示波器分辨率一般只有8位至10位。
○ 數(shù)據(jù)更新快:每秒捕捉幾十萬(wàn)個(gè)波形,數(shù)字示波器每秒捕捉幾十個(gè)波形。
○實(shí)時(shí)帶寬和實(shí)時(shí)顯示:連續(xù)波形與單次波形的帶寬相同,數(shù)字示波器的帶寬與取樣率密切相關(guān),取樣率不高時(shí)需借助內(nèi)插計(jì)算,容易出現(xiàn)混淆波形。
簡(jiǎn)而言之,模擬示波器為工程技術(shù)人員提供眼見為實(shí)的波形,在規(guī)定的帶寬內(nèi)可非常放心進(jìn)行測(cè)試。人類五官中眼睛視覺神經(jīng)十分靈敏,屏幕波形瞬間反映至大腦作出判斷,細(xì)微變化都可感知。因此,剛開始模擬示波器深受使用者的歡迎。
中期數(shù)字示波器獨(dú)領(lǐng)風(fēng)騷
八十年代的數(shù)字示波器處在轉(zhuǎn)型階段,還有不少地方要改進(jìn),美國(guó)的TEK公司和HP公司都對(duì)數(shù)字示波器的發(fā)展作出貢獻(xiàn)。它們后來(lái)停產(chǎn)模擬示波器,并且只生產(chǎn)性能好的數(shù)字示波器。進(jìn)入九十年代,數(shù)字示波器除了提高帶寬到1GHz以上,更重要的是它的**性能超越模擬示波器。出現(xiàn)所謂數(shù)字示波器模擬化的現(xiàn)象,換句話說(shuō),盡量吸收模擬示波器的優(yōu)點(diǎn),使數(shù)字示波器更好用。
數(shù)字示波器首先在取樣率上提高,從*初取樣率等于兩倍帶寬,提高至五倍甚至十倍,相應(yīng)對(duì)正弦波取樣引入的失真也從100%降低至3%甚至1%。帶寬1GHz的取樣率就是5GHz/s,甚至10GHz/s。
其次,提高數(shù)字示波器的更新率,達(dá)到模擬示波器相同水平,*高可達(dá)每秒40萬(wàn)個(gè)波形,使觀察偶發(fā)信號(hào)和捕捉毛刺脈沖的能力大為增強(qiáng)。
再次,采用多處理器加快信號(hào)處理能力,從多重菜單的煩瑣測(cè)量參數(shù)調(diào)節(jié),改進(jìn)為簡(jiǎn)單的旋鈕調(diào)節(jié),甚至完全自動(dòng)測(cè)量,使用上與模擬示波器同樣方便。
*后,數(shù)字示波器與模擬示波器一樣具有屏幕的余輝方式顯示,賦于波形的三維狀態(tài),即顯示出信號(hào)的幅值、時(shí)間以及幅值在時(shí)間上的分布。具有這種功能的數(shù)字示波器稱為數(shù)字熒光示波器或數(shù)字余輝示波器即數(shù)模兼合。
數(shù)字示波器要有模擬功能
模擬示波器用陰極射線管顯示波形,示波管的帶寬與模擬示波器的相同,亦即示波管內(nèi)電子運(yùn)動(dòng)速度與信號(hào)頻率成正比,信號(hào)頻率越高電子速度越快,示波管屏幕的亮度與電子束的速度成反比,低頻波形的亮度高,高頻波形的亮度低。利用熒光屏幕的亮度或灰度容易獲得信號(hào)的第三維信息,如用屏幕垂直軸表示幅度,水平軸表示時(shí)間,則屏幕亮度可表示信號(hào)幅度隨時(shí)間分布的變化。這種與時(shí)間有關(guān)的熒光余輝(灰度定標(biāo))效應(yīng)對(duì)觀察混合波形和偶發(fā)波形十分有效,模擬存儲(chǔ)示波器就是這種專用示波器的代表產(chǎn)品,*高的性能達(dá)到800MHz帶寬,可記錄到1ns左右的快速瞬變偶發(fā)事件.
數(shù)字示波器缺少余輝顯示功能,因?yàn)樗菙?shù)字處理,只有兩個(gè)狀態(tài),非高即低,原則上波形也是“有”和“無(wú)”兩個(gè)顯示。為達(dá)到模擬示波器那樣的多層次亮度變化,必須采用專用圖象處理芯片,例如TEK公司采用DPX型處理器芯片,具有數(shù)據(jù)采集、圖象處理和存儲(chǔ)等多項(xiàng)功能,DPX芯片由130萬(wàn)個(gè)晶體管組成,采用0.65μm的CMOS工藝,并行流水結(jié)構(gòu),取樣率高。它既是數(shù)據(jù)采集芯片,同時(shí)也是光柵掃描器,模擬示波管屏幕熒光體的發(fā)光特性,用16級(jí)亮度分級(jí),將波形存儲(chǔ)在500×200像素的LCD單色或彩色顯示屏上,每1/30秒更新一次。由于模擬存儲(chǔ)示波器只能依靠照相底片記錄波形,對(duì)數(shù)據(jù)保存并不方便,而數(shù)字熒光示波器是數(shù)字處理的顯示,數(shù)據(jù)記錄、處理、保存都十分方便。例如用紅色表示出現(xiàn)幾率*高的波形,蘭色表示出現(xiàn)幾率*低的波形,達(dá)到一目了然。由于數(shù)字示波器已經(jīng)達(dá)到4GHz以上帶寬的水平,配合熒光顯示特性,總的性能優(yōu)于模擬存儲(chǔ)示波器。
來(lái)源:www.tede
數(shù)字熒光示波器
數(shù)字熒光示波器(DPO)為示波器系列增加了一種新的類型,能實(shí)時(shí)顯示、存貯和分析復(fù)雜信號(hào)的三維信號(hào)信息:幅度、時(shí)間和整個(gè)時(shí)間的幅度分布。
DSO采用串行處理的體系結(jié)構(gòu)捕獲、顯示和分析信號(hào);相對(duì)而言,DPO為完成這些功能采用的是并行體系結(jié)構(gòu),如圖一、二所示。并行結(jié)構(gòu)和基于ASIC硬件的處理技術(shù),使數(shù)字熒光示波器能夠捕捉到當(dāng)今復(fù)雜的動(dòng)態(tài)信號(hào)中的全部細(xì)節(jié)和異常情況,并以人類的眼睛的接受速度顯示出來(lái)。
普通數(shù)字示波器要觀察偶發(fā)事件需要使用長(zhǎng)時(shí)間記錄,然后作信號(hào)處理,這種辦**漏掉非周期性出現(xiàn)的信號(hào)和不能顯示出信號(hào)的動(dòng)態(tài)特性。數(shù)字熒光示波器能夠顯示復(fù)雜波形中的微細(xì)差別,以及出現(xiàn)的頻繁程度。例如觀察電視信號(hào),既有行掃描、幀掃描、視頻信號(hào)和伴音信號(hào),還要記錄電視信號(hào)中的異?,F(xiàn)象,對(duì)于專業(yè)人員和維修人員都是同樣重要的。
例.TEK公司的TDS3000系列數(shù)字熒光示波器提供多種測(cè)試模塊,可以從前面板右上角插入六種模塊。例如觸發(fā)模塊可作邏輯狀態(tài)、邏輯圖形觸發(fā),以及脈沖參數(shù)(上升、下降沿、寬度、周期等);電視模塊專用于多種制式的(NTSC、PAL和SECAM)波形記錄;快速傅里葉變換(FFT)模塊可快速顯示信號(hào)的頻率成分和頻譜分布,既可分析脈沖響應(yīng),亦可分析諧波分布,并且識(shí)別和定位噪聲和干擾來(lái)源。還有**分析模塊和極限測(cè)試模塊。
TDS3000系列示波器是便攜式的,重量不到7磅,可由電池供電,特別適于現(xiàn)場(chǎng)使用。
2、如何選擇示波器
自從示波器問(wèn)世以來(lái),它一直是*重要、*常用的電子測(cè)試工具之一;由于電子技術(shù)的發(fā)展,示波器的能力也在不斷提升,其性能與價(jià)格也五花八門,市場(chǎng)參差不齊,本文從多方面闡述您如何選擇示波器。
了解您的信號(hào)?
您要知道您用示波器觀察什么?既您要捕捉并觀察的信號(hào)其典型性能是什么?您的信號(hào)是否有復(fù)雜的特性?您的信號(hào)是重復(fù)信號(hào)還是單次信號(hào)?您要測(cè)量的信號(hào)過(guò)渡過(guò)程帶寬,或者上升時(shí)間是多大?您打算用何種信號(hào)特性來(lái)觸發(fā)短脈沖、脈沖寬度、窄脈沖等?您打算同時(shí)顯示多少信號(hào)?
模擬還是數(shù)字?
參見前面的《示波器發(fā)展》。總之,傳統(tǒng)的觀點(diǎn)認(rèn)為模擬示波器具有熟悉的面板控制,價(jià)格低廉,因而總覺得模擬示波器“使用方便”。但是隨著A/D轉(zhuǎn)換器速度逐年提高和價(jià)格不斷降低,以及數(shù)字示波器不斷增加的測(cè)量能力和實(shí)際上不受限制的各種功能,數(shù)字示波器已獨(dú)領(lǐng)風(fēng)騷。
帶寬如何?
帶寬一般定義為正弦輸入信號(hào)幅度衰減到-3dB時(shí)的頻率,即70.7%,帶寬決定示波器對(duì)信號(hào)的基本測(cè)量能力。隨著信號(hào)頻率的增加,示波器對(duì)信號(hào)的準(zhǔn)確顯示能力將下降,如果沒有足夠的帶寬,示波器將無(wú)法分辨高頻變化。幅度將出現(xiàn)失真,邊緣將會(huì)消失,細(xì)節(jié)數(shù)據(jù)將被丟失。如果沒有足夠的帶寬,得到的關(guān)于信號(hào)的所有特性,響鈴和振鳴等都毫無(wú)意義。
一個(gè)決定您所需要的示波器帶寬有效的經(jīng)驗(yàn)法則是“5倍準(zhǔn)則”;即將您要測(cè)量的信號(hào)*高頻率分量乘以5。這將會(huì)使您在測(cè)量中獲得高于2%的精度。
在某些應(yīng)用場(chǎng)合,您不知道你的感興趣的信號(hào)帶寬,但是您知道它的*快上升時(shí)間,大多數(shù)字示波器的頻率響應(yīng)用下面的公式來(lái)計(jì)算關(guān)聯(lián)帶寬和儀器的上升時(shí)間:Bw=0.35/信號(hào)的*快上升時(shí)間。
帶寬有兩種類型:重復(fù)(或等效時(shí)間)帶寬和實(shí)時(shí)(或單次)帶寬。重復(fù)帶寬只適用于重復(fù)的信號(hào),顯示來(lái)自于多次信號(hào)采集期間的采樣。實(shí)時(shí)帶寬是示波器的單次采樣中所能捕捉的*高頻率,且當(dāng)捕捉的事件不是經(jīng)常出現(xiàn)時(shí)要求相當(dāng)苛刻。實(shí)時(shí)帶寬與采樣速率聯(lián)系在一起。
由于更寬的帶寬往往意味著更高的價(jià)格,因此應(yīng)對(duì)照你的預(yù)算來(lái)評(píng)定通常要觀察信號(hào)的頻率成分。
采樣速率怎樣?
定義為每秒采樣次數(shù)(S/s),指數(shù)字示波器對(duì)信號(hào)采樣的頻率。示波器的采樣速率越快,所顯示的波形的分辨率和清晰度就高,重要信息和事件丟失的概率就越小。
如果需要觀測(cè)較長(zhǎng)時(shí)間范圍內(nèi)的慢變信號(hào),則*小采樣速率就變得較為重要。為了在顯示的波形記錄中保持固定的波形數(shù),需要調(diào)整水平控制按鈕,而所顯示的采樣速率也將隨著水平調(diào)節(jié)按鈕的調(diào)節(jié)而變化。
如何計(jì)算采樣速率?計(jì)算方法取決于所測(cè)量的波形的類型,以及示波器所采用的信號(hào)重建方式。
為了準(zhǔn)確地再現(xiàn)信號(hào)并避免混淆,奈奎斯定理規(guī)定:信號(hào)的采樣速率必須不小于其*高頻率成分的兩倍。然而,這個(gè)定理的前提是基于無(wú)限長(zhǎng)時(shí)間和連續(xù)的信號(hào)。由于沒有示波器可以提供無(wú)限時(shí)間的記錄長(zhǎng)度,而且,從定義上看,低頻干擾是不連續(xù)的,所以采用兩倍于*高頻率成分的采樣速率通常是不夠的。
實(shí)際上,信號(hào)的準(zhǔn)確再現(xiàn)取決于其采樣速率和信號(hào)采樣點(diǎn)間隙所采用的插值法。一些示波器會(huì)為操作者提供以下選擇:測(cè)量正弦信號(hào)的正弦插值法,以及測(cè)量矩形波、脈沖和其他信號(hào)類型的線性插值法。
有一個(gè)在比較取樣速率和信號(hào)帶寬時(shí)很有用的經(jīng)驗(yàn)法則:如果您正在觀察的示波器有內(nèi)插(通過(guò)篩選以便在取樣點(diǎn)間重新生成),則(取樣速率/信號(hào)帶寬)的比值至少應(yīng)為4∶1。無(wú)正弦內(nèi)插時(shí),則應(yīng)采取10∶1的比值。
屏幕刷新率多快?
所有的示波器都會(huì)閃爍。也就是說(shuō),示波器每秒鐘以特定的次數(shù)捕獲信號(hào),在這些測(cè)量點(diǎn)之間將不再進(jìn)行測(cè)量。這就是波形捕獲速率,也稱屏幕刷新率,表示為波形數(shù)每秒(wfms/s)。采樣速率表示的是示波器在一個(gè)波形或周期內(nèi),采樣輸入信號(hào)的頻率;波形捕獲速率則是指示波器采集波形的速度。波形捕獲速率取決于示波器的類型和性能級(jí)別,且有著很大的變化范圍。高波形捕獲速率的示波器將會(huì)提供更多的重要信號(hào)特性,并能極大地增加示波器快速捕獲瞬時(shí)的異常情況,如抖動(dòng)、矮脈沖、低頻干擾和瞬時(shí)誤差的概率。
數(shù)字存儲(chǔ)示波器(DSO)使用串行處理結(jié)構(gòu)每秒鐘可以捕獲10到5000個(gè)波形。DPO數(shù)字熒光示波器采用并行處理結(jié)構(gòu),可以提供更高的波形捕獲速率,有的高達(dá)每秒數(shù)百萬(wàn)個(gè)波形,大大提高了捕獲間歇和難以捕捉事件的可能性,并能讓您更快地發(fā)現(xiàn)信號(hào)存在的問(wèn)題。
存儲(chǔ)深度是多少?
存儲(chǔ)深度是示波器所能存儲(chǔ)的采樣點(diǎn)多少的量度。如果您需要不間斷的捕捉一個(gè)脈沖串,則要求示波器有足夠的存儲(chǔ)器以便捕捉整個(gè)事件。將所要捕捉的時(shí)間長(zhǎng)度除以**重現(xiàn)信號(hào)所須的取樣速度,可以計(jì)算出所要求的存儲(chǔ)深度,也稱記錄長(zhǎng)度。
在正確位置上捕捉信號(hào)的有效觸發(fā),通常可以減小示波器實(shí)際需要的存儲(chǔ)量。
存儲(chǔ)深度與取樣速度密切相關(guān)。您所需要的存儲(chǔ)深度取決于要測(cè)量的總時(shí)間跨度和所要求的時(shí)間分辨率。
現(xiàn)代的示波器允許用戶選擇記錄長(zhǎng)度,以便對(duì)一些操作中的細(xì)節(jié)進(jìn)行優(yōu)化。分析一個(gè)十分穩(wěn)定的正弦信號(hào),只需要500點(diǎn)的記錄長(zhǎng)度;但如果要解析一個(gè)復(fù)雜的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)流,則需要有一百萬(wàn)個(gè)點(diǎn)或更多點(diǎn)的記錄長(zhǎng)度。
要求何種觸發(fā)?
示波器的觸發(fā)能使信號(hào)在正確的位置點(diǎn)同步水平掃描,決定著信號(hào)特性是否清晰。觸發(fā)控制按鈕可以穩(wěn)定重復(fù)的波形并捕獲單次波形。
大多數(shù)通用示波器的用戶只采用邊沿觸發(fā)方式,您可能發(fā)現(xiàn)擁有其它觸發(fā)能力在某些應(yīng)用是有益的。特別是對(duì)新設(shè)計(jì)產(chǎn)品的故障查尋。先進(jìn)的觸發(fā)方式可將所關(guān)心的事件分離出來(lái),從而*有效地利用取樣速度和存儲(chǔ)深度。
現(xiàn)今有很多示波器,具有先進(jìn)的觸發(fā)能力:您能根據(jù)由幅度定義的脈沖(如短脈沖),由時(shí)間限定的脈沖(脈沖寬度、窄脈沖、轉(zhuǎn)換率、建立/保持時(shí)間)和由邏輯狀態(tài)或圖形描述的脈沖(邏輯觸發(fā))進(jìn)行觸發(fā)。擴(kuò)展和常規(guī)的觸發(fā)功能組合也幫助顯示視頻和其它難以捕捉的信號(hào),如此先進(jìn)的觸發(fā)能力,在設(shè)置測(cè)試過(guò)程時(shí)提供了很大程度的靈活性,而且能大大地簡(jiǎn)化工作。
有多少通道?
您需要的通道數(shù)取決于您的應(yīng)用。對(duì)于通常的經(jīng)濟(jì)型故障查尋應(yīng)用來(lái)說(shuō),需要的是雙通道示波器。然而,如果要求觀察若干個(gè)模擬信號(hào)的相互關(guān)系,將需要一臺(tái)4通道示波器。許多工作于模擬與數(shù)字兩種信號(hào)的系統(tǒng)的工程師也考慮采用4通道示波器。還有一種較新的選擇,即所謂混合信號(hào)示波器,它將邏輯分析儀的通道計(jì)數(shù)及觸發(fā)能力與示波器的較高分辨率綜合到具有時(shí)間相關(guān)顯示的單一儀器之中。
您能發(fā)現(xiàn)這些難以捉摸的異?,F(xiàn)象嗎?
三個(gè)主要因素影響著示波器顯示日常測(cè)試與調(diào)試中所遇到的未知和復(fù)雜信號(hào)的能力:屏幕更新速率、波形捕獲方式、和觸發(fā)能力。波形捕獲模式有以下幾種:采樣模式、峰值檢測(cè)模式、高分辨率模式、包絡(luò)模式、平均值模式等。總之更新速率給您關(guān)于示波器對(duì)信號(hào)和控制的變化反應(yīng)有多快的概念,而峰值檢測(cè)有助于在較慢的信號(hào)中捕捉快速信號(hào)的峰值。*好的辦法是看看示波器對(duì)您的信號(hào)處理情況,觀察一下更新速率和峰值檢測(cè)的反應(yīng),以確信這些功能并未因其它方面缺乏靈活性而受到損害。
示波器的指標(biāo)精度如何?
示波器的指標(biāo)有很多:如垂直靈敏度、掃描速度、增益精度、時(shí)間基準(zhǔn)、垂直分辨率、保修期等。
確定所需要的分析功能?
數(shù)字示波器的*大優(yōu)點(diǎn)是它們能得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)量,且按一下按鈕即可實(shí)現(xiàn)各種分析功能。雖然可利用的功能因廠家和型號(hào)而異,但它們一般包括諸如頻率、上升時(shí)間、脈沖寬度等等的測(cè)量。某些數(shù)字示波器還提供快速傅里葉變換(FFT)功能。
探頭和附件如何?
容易忘記的一點(diǎn)是,當(dāng)安上探頭時(shí),它就成為電路的一部分了。結(jié)果它將造成電阻性、電容性和電感性負(fù)載,使示波器呈現(xiàn)出與被測(cè)對(duì)象不同的測(cè)量結(jié)果。因此,針對(duì)不同應(yīng)用應(yīng)備有適當(dāng)?shù)奶结?,然后選擇其中一種,使負(fù)載效應(yīng)*小,使信號(hào)得到***的復(fù)現(xiàn)。由于SMT元件的發(fā)展,連接更因難。
您能不費(fèi)力地使用這臺(tái)示波器嗎?
很顯然,如果您不能訪問(wèn)各種功能,或者要花很多時(shí)間去學(xué)習(xí)它們,那么您的示波器將價(jià)值不大。
示波器的數(shù)據(jù)管理和連接性怎樣?
對(duì)測(cè)量結(jié)果的分析是非常重要的。將信息和測(cè)量結(jié)果在高速通信網(wǎng)絡(luò)中便捷地保存和共享也變得日益重要。
示波器的互聯(lián)性提供對(duì)結(jié)果的**分析能力并簡(jiǎn)化結(jié)果的存檔和共享。一些示波器通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的接口(GPIB、RS-232、USB、以太網(wǎng))和網(wǎng)絡(luò)通信模式提供一系列的功能和控制方式。
示波器是否可具有擴(kuò)展性?
示波器應(yīng)該能夠不斷地適應(yīng)需求的變化。一些示波器可以隨機(jī)擴(kuò)展:
○ 增加通道的內(nèi)存以分析更長(zhǎng)的記錄長(zhǎng)度
○ 增加面對(duì)具體應(yīng)用的測(cè)量功能
○ 有一整套兼容的探頭和模塊,加強(qiáng)示波器的能力
○ 同通用第三方的Windows兼容的分析軟件協(xié)同工作
○ 增加附件,如電池組和機(jī)架固定件等。
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