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基于湿度传感器地测量电路设计

扬州大学能源与动力工程学院

课程设计报告

题目：

基于湿度传感器的测量电路设计

课程：

传感器与测控电路课程实习

专业：

测控技术与仪器

班级：

测控0802

姓名：

学号：

指导老师：

传感器与测控电路课程实习报告

总目录

第一部分：

任务书

第二部分：

课程设计报告

第三部分：

设计电路图

第四部分：

实习报告

传感器与测控电路课程实习报告

第一部分

任

务

书

传感器与测控电路课程实习报告

《传感器与测控电路课程实习》课程设计任务书

课题：

基于湿度传感器的测量电路设计

一个电子产品的设计、制作过程所涉及的知识面很广；加上电子技术的发展异常迅

速，新的电子器件的功能在不断提升，新的设计方法不断发展，新的工艺手段层出不穷，

它们对传统的设计、制作方法提出了新的挑战。

但对于初次涉足电子产品的设计、制作

来说，了解并实践一下传感器选择与测控电路的设计、制作的基本过程是很有必要的。

由于所涉及的知识面很广，相应的具体内容请参考本文中提示的《传感器原理及应用》，

《测控电路》，《模拟电子技术基础实验与课程设计》，《电子技术实验》等书的有关章节。

一、基于湿度传感器的测量电路设计简介

应用IH3605型温度传感器与集成运放设计测量湿度的电路，测量相对湿度（RH）的

范围为0%~l00%，电路输出电压为0~10V。

要求测量电路具有调零功能和温度补偿功能。

使用环境温度为0℃~85℃。

二、基于湿度传感器的测量电路设计的工作原理：

IH3605型湿度传感器

本课题中测量电路组成框图如下所示：

湿

差动放大器

1

同相加法器输出

度

电压跟随器

传

感

器

PT电阻传

感器

转换电桥

差动放大器

2

测量电路由湿度传感器，差动放大器，同相加法放大器等主电路组成；为了实现温

度补偿功能，选择铂电阻温度传感器采集环境温度，通过转换电桥和差动放大，输入同

相加法器实现加法运算，补偿环境温度对湿度传感器的影响，其中转换电桥工作电压由

差动放大器输出电压通过电压跟随器提供。

三、设计目的

1.掌握传感器选择的一般设计方法；

2.掌握模拟IC器件的应用；

传感器与测控电路课程实习报告

3.掌握测量电路的设计方法；

4.培养综合应用所学知识来指导实践的能力。

四、设计要求及技术指标

1.设计、组装、调试；

2.湿度测量范围：

0％～100％RH；

3.使用环境温度范围：

0～85℃；

4.输出电压：

0～10V；

5.非线性误差：

±0.5％。

五、设计所用仪器及器件

1.直流稳压电源

2.双踪示波器

3.万用表

4.运放OP07

5.电阻、电容若干

6.湿度传感器IH3605

7.万能电路板

8.电烙铁等

六、日程安排

1.布置任务、查阅资料，方案设计；（2天）

根据设计要求，查阅参考资料，进行方案设计及可行性论证，确定设计方案，画出

电路图。

2.上机用EDA软件对设计电路进行模拟仿真调试；（2天）

要求在虚拟仪器上观测到正确的波形并达到规定的技术指标。

3.电路的装配及调试；（3天）

在万能板上对电路进行装配调试，使其全面达到规定的技术指标，最终通过验收。

4.总结撰写课程设计报告。

（1天）

传感器与测控电路课程实习报告

七、课程设计报告内容：

总结设计过程，写出设计报告，设计报告具体内容要求如下：

1.课程设计的目和设计的任务；

2.课程设计的要求及技术指标；

3.总方案的确定并画出原理框图；

4.各组成单元电路设计，及电路的原理、工作特性（结合设计图写）；

5.总原理图，工作原理、工作特性（结合框图及电路图讲解）；

6.电路安装、调试步骤及方法，调试中遇到的问题，及分析解决方法；

7.实验结果分析，改进意见及收获；

8.体会。

八、电子电路设计的一般方法：

1.仔细分析产品的功能要求，利用互连网、图书、杂志查阅资料，从中提取相关和

最有价值的信息、方法。

（1）设计总体方案。

（2）设计单元电路、选择传感器、测量电路元器件、根据需要调整总体方案。

（3）计算电路（元件）参数。

（4）绘制总体电路初稿。

（5）上机在EDB（或EDA）电路实验仿真。

（6）绘制总体电路。

2.明确电路图设计的基本要求进行电路设计。

并上机在EDB（或EDA）上进行电路

实验仿真，电路图设计已有不少的计算机辅助设计软件，利用这些软件可显著减轻了人

工绘图的压力，电路实验仿真大大减少人工重复劳动，并可帮助工程技术人员调整电路

的整体布局，减少电路不同部分的相互干扰等等。

3.掌握常用元器件的识别和测试。

电子元器件种类繁多，并且不断有新的功能、性

能更好的元器件出现。

需要通过互连网、图书、杂志查阅它们的识别和测试方法。

对于

常用元器件，不少手册有所介绍。

4.熟悉常用仪表，了解电路调试的基本方法。

通过排除电路故障，提高电路性能的

过程，巩固理论知识,提高解决实际问题的能力。

5.独立撰写课程设计报告。

传感器与测控电路课程实习报告

第二部分

课

程

设

计

报

告

传感器与测控电路课程实习报告

1课题简介⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯

（1）

2课程设计的目的和设计的任务⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯

（2）

2.1课程设计的目的⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯

（2）

2.2课程设计的任务⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯

（2）3课程设计的要求及技术指标⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯（3）

3.1课程设计的要求⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯（3）3.2课程设计的技术指标⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯（3）4总方案及原理框图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯（4）4.1电路设计总方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯（4）

4.2电路设计原理框图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯（4）5各组成部分的工作原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯（5）5.1差动放大电路⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯（5）

5.2温度补偿电路⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯（5）5.3加法比例运算电路⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯（6）6电路的设计、电路各部分工作特性及元件的作用⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯（7）6.1差动放大电路⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯（7）6.2温度补偿电路试⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯（8）6.3加法比例运算电路⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯（11）7总原理图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯（13）

8电路安装、调试步骤及方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯（15）8.1电路的安装⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯（15）8.2电路调试的步骤及方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯（15）

9实验结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯（16）

10改进意见、收获、体会、设计总结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯（17）

10.1电路的改进意见⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯（17）

10.2课程设计的收获与体会⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯（17）

10.3课程设计的总结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯（17）

11仪器仪表清单⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯（18）

11.1元器件清单⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯（18）

11.2引用仪器、仪表清单⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯（18）参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯（19）

传感器与测控电路课程实习报告

1课题简介

基于湿度传感器的测量电路设计：

应用IH3605型温度传感器与集成运放设计测量

湿度的电路，测量相对湿度（RH）的范围为0%~l00%，电路输出电压为0~10v。

要求测量

电路具有调零功能和温度补偿功能。

使用环境温度为0℃~85℃。

测量电路由湿度传感器，差动放大器，同相加法放大器等主电路组成；为了实现温

度补偿功能，选择铂电阻温度传感器采集环境温度，通过转换电桥和差动放大，输入同

相加法器实现加法运算，补偿环境温度对湿度传感器的影响，其中转换电桥工作电压由

差动放大器输出电压通过电压跟随器提供。

1

传感器与测控电路课程实习报告

2课程设计的目的和设计的任务

2.1课程设计的目的

1.掌握传感器选择的一般设计方法；

2.掌握模拟IC器件的应用；

3.掌握测量电路的设计方法；

4.培养综合应用所学知识来指导实践的能力。

2.2课程设计的任务

应用IH3605型温度传感器与集成运放设计测量湿度的电路，测量相对湿度（RH）的

范围为0%~l00%，电路输出电压为0~10V。

要求测量电路具有调零功能和温度补偿功能。

使用环境温度为0℃~85℃。

2

传感器与测控电路课程实习报告

3课程设计的要求及技术指标

3.1课程设计的要求

1.根据设计要求，查阅参考资料，

2.进行方案设计及可行性论证

3.确定设计方案，画出电路原理框图。

4.设计每一部分电路，计算器件参数

5.在万能板上对电路进行装配调试，使其全面达到规定的技术指标，记录调试数据，

最终通过验收。

6.总结撰写课程设计报告。

（1）课程设计的目的和设计的任务

（2）课程设计的要求及技术指标

传感器的性能、主要技术指标、使用条件仔细分析产品的功能要求，利用互连网、

图书、杂志查阅资料，从中提取相关和最有价值的信息、方法。

（3）总方案的确定并画出原理框图。

（4）各组成单元电路设计，及电路的原理、工作特性（结合设计图写）

（5）总原理图，工作原理、工作特性（结合框图及电路图讲解）及各元件参数

分析误差及产生原因

（6）电路安装、调试步骤及方法，调试中遇到的问题，及分析解决方法。

（7）实验结果分析，改进意见及收获。

（8）元器件清单

（9）仪器仪表清单

（10）体会。

3.2课程设计的技术指标

1.湿度测量范围：

0％～100％RH；

2.使用环境温度范围：

0～85℃；

3.输出电压：

0～10V；

4.非线性误差：

±0.5％。

3

传感器与测控电路课程实习报告

4总方案及原理框图

4.1电路设计总方案

测量电路由湿度传感器，差动放大器，同相加法放大器等主电路组成；为了实现温

度补偿功能，选择铂电阻温度传感器采集环境温度，通过转换电桥和差动放大，输入同

相加法器实现加法运算，补偿环境温度对湿度传感器的影响，其中转换电桥工作电压由

差动放大器输出电压通过电压跟随器提供。

4.2电路设计原理框图

湿

差动放大器

1

同相加法器输出

度

传

电压跟随器

感

器

PT电阻传

感器

转换电桥

差动放大器

2

图1原理框图

4

传感器与测控电路课程实习报告

5各组成部分的工作原理

5.1差动放大电路

差动放大器:

是把二个输入信号分别输入到运算放大器的同相和反相二个输入端，

然后在输出端取出二个信号的差模成分，而尽量抑制二个信号的共模成分。

图2差动放大电路

RRR

224

uoui

（1）ui

1

RRRR

1134

2

R

如果满足//（）

2

。

RR：

则u

2RRuiui

143o21

R

1

5.2温度补偿电路

何谓电桥放大电路？

由传感器电桥和运算放大器组成的放大电路或由传感器和运算放大器构成的电桥

都称为电桥放大电路。

应用于何种场合？

应用于电参量式传感器，如电感式、电阻应变式、电容式传感器等，经常通过电桥

转换电路输出电压或电流信号，并用运算放大器作进一步放大，或由传感器和运算放大

器直接构成电桥放大电路，输出放大了的电压信号。

差动输入电桥放大电路

5

传感器与测控电路课程实习报告

uaR1

R

R

∞

-

u

+

N

+

uo

R

R（1+δ）

R2=R1

ub

图3差动输入电桥放大电路

Ru1

当Raoubu

RR

＞＞u（），。

时：

u12

R2R22

1

若运放工作在理想状态，即

２

R

１

uaubuo（

R

，则＝１＋

）

１

（/

u

。

2）

4

5.3加法比例运算电路

加法比例运算电路可以实现信号的求和以及放大。

R1Rf

-

uo+

R2

u+

+

ui1

R3

ui2图4加法比例运算电路

取

R2

R3

=

R1

Rf

，则uo=（1+

Rf

R1

）（

R3

R2R3

ui1+

R2

R2R3

ui2）。

当R2=R3时，uo=

1

2

（1+

Rf

R1

）（ui1+ui2）。

6

传感器与测控电路课程实习报告

6电路的设计、电路各部分工作特性及元件的作用

6.1差动放大电路

方案一：

图5方案一的差动放大电路

①选择VS、Rl、ICl、R2、RP1确定电源电压。

因输出电压Uo=10V，电源电压取15V。

由ICl、R2、RP1组成调零电路。

由VS、R1组成

传感器电源（5V），给传感器和调零电路供电。

VS选用MTZJ5IB型稳压二极管，Uz=5.IV，

Iz=5mA，则

R1=（Ucc－Uz）/Iz=（15－5.1）／（5×10－3）=l.98kΩ

取系列值2kΩ。

ICl选用LM385型基准电压源，基准电压Uref=l.235V，工作电流为10μA~20m，A取

工作电流I=lmA，则

R2=（Uz－Uref）/I=（5.1—1.235）／（1×10－3）=3.865kΩ

取系列值3.9kΩ。

为使RPl支路耗电小，令通过其电流为0.2mA，则

RPl=1.235／（0.2×10－3）=6.175kΩ

取系列值6.8kΩ。

当相对湿度为0时，调节RPl，使Uo1=0V。

②选择IC2~IC5、R3~R6、RP2。

IC2~IC5选择7F324型四运放。

由IC2等组成差动放大器后有如下关系式，即

R3=R4．R5+（RP2/2）=R6，放大倍数KF2=[R5+（RP2/2）]／R3

今R3=R4=10.0kΩ，25℃、100%（RH）时，传感器输出电雎为4.02V，调零后，Ui=4.02

－0.8=322V，Uo1应为10V。

7

传感器与测控电路课程实习报告

R5+（RP2/2）=KF2×R3=（Uo1／Ui）R3=（10/3.22）×10.0=31.06kΩ，取R5=27kΩ，则

RP2=2（31.06－27）=8.12kΩ，取系列值8.2kΩ

R6=R5+（RP2/2）=31.06kΩ，取E192系列3l.2kΩ

方案2：

图6方案二的差动放大电路

在25℃，0%湿度的情况下，湿度传感器的输出Us=Ui1=0.8V,使R0=R1=10k

Ω,Ui2=0.8V,这时Uo1=0V，从而达到了起始校零的目的。

在25℃，100%湿度的情况下，湿度传感器的输出Us=Ui1=4.02V,为了使总电路的输

出Uo=10V，应使差动放大器的放大倍数Kf1=10/（0.8-4.02）=3.106.而Kf1=-Rf/R1,则

Rf=Kf1*R1=31.06kΩ.

6.2温度补偿电路

方案一：

8

传感器与测控电路课程实习报告

图7方案一的温度补偿电路

选择R11~R16、RP3、RP4、Rt。

a选择Rt、R11、R12、RP3。

由IC4、IC5及R11~R16、RP3、RP4、Rt组成温度补偿电路。

其中，R11、R12、RP3、Rt可组

成温度补偿电桥。

Rt选择EL－700型铂金电阻温度传感器，RtRo（1+α2t）。

式中，α

2=0.00375/℃，Ro=1000Ω，Rt的工作电流推荐值为lmA。

IC4为电压跟随器，8脚输出电

压U8的最大值为10V，令R11=R12=10kΩ。

t=25℃时，Rt的值为R25，R25=1000（1+0.00375

×25）=1093.75Ω。

取RP3=1.5kΩ，调节RP3，使Ra=R25=1093.75Ω，则Uo2=0V。

b计算有关参数。

KF2=[R5+（RP2/2）]/R3=[27+（8.2／2）]／10=3.11

t=85℃、RH=100%时，Rt的值为R85，即

R85=1000（1+0.00375×85）=1318.7Ω

U8=Uo1=KF2Ui=3.11×（3.50－0.8）=8.397V

Ui1=U8Ra／（R12+Ra）=8.397×1093.75／（10×10－3+1093.75）=0.8279V

Ui2=U8R85／（R11+R85）=8.397×1318.7／（10×10－3+1318.7）=0.9783V

Uo2为温度补偿电压。

当t=85℃、RH=100%时，Uo1=8.397V，要求电路输出10V，则补

偿电压Uo2=10－8.397=1.603V。

由IC5组成差动放大器，其放大倍数为KF5，即

9

传感器与测控电路课程实习报告

KF5=Uo2／（Ui2－Ui1）=1.603／（0.9783－0.8279）=10.66

取KF5=15。

c选择R13~R16、RP4。

由IC5组成差动放大器后有如下关系式，即

R13=R15，R14=R16，KF5=R14／R13

R14=KF5R13=15Rl3，取R13=R15=10kΩ，R14=15×10=150kΩ，R16=R14=150kΩ。

当t=85℃、RH=100%时，Uo2的实际值为

Uo2=KF5（Ui2－Ui1）=15（0.9783－0.8279）=2.256V

设通过RP4支路的电流为1mA，则

RP4=2.256／（1×10－3）=2.256kΩ，取系列值2.2kΩ

方案二：

图8方案二的温度补偿电路

在85℃，100%湿度的情况下，湿度传感器的输出Us=Ui1=3.5V,则

10

传感器与测控电路课程实习报告

Uo1=3.106*（3.5-0.8）=8.3862V,为了使总电路的输出Uo=10V，需温度补偿，使

Uo2=10-Uo1=1.6138V。

调节使电桥在25℃时平衡，此时Pt1000的电阻R25=1000*（1+0.00375*25）=1093.75

Ω,使R2=R3=10Ωk,Ra=1kΩ，则R4=R25+Ra=2093.7Ω5。

在85℃时，Pt1000的电阻R85=1000*（1+0.00375*85）=1318.7Ω,则差动放大器输入

Ui1=Uo1*R4/（R2+R4）=8.3862*2093.75/12093.75=1.452V,Ui2=Uo1*（Ra+R85）/（R3+Ra+R

85）=8.3862*2318.7/12318.7=1.578V.差动放大器的放大倍数

Kf2=Uo2/（Ui1-Ui2）=-R11/R6=1.6138/（1.452-1.578）=-12.81。

取R6=R7=10kΩ,则

R11=R8=12.81*10=128.1kΩ。

6.3加法比例运算电路

方案一：

图9方案一的加法比例运算电路

选择R7、R8、R9、R10。

由IC3组成同相加法器。

令R7=R8=R9=R10=10kΩ，在85℃、100%的相对湿度时，调节RP2

使Uo1=8.379V，调节RP4使Uo=10V。

方案二：

11

传感器与测控电路课程实习报告

图10方案二的加法比例运算电路

放大器的放大倍数为1，取R5=R9=R10=R12=1Ω0k.则R13为无穷大，即断开，可去除。

12

传感器与测控电路课程实习报告

7总原理图

2

P

J

12

0U

1

C

C

V

+

1

7

0

A

3

P

C

O

I

11

1

4

1

C

C

V

9

-R

32

0

1

R

8

R

7

R

2

P

R

1

C

C

V

+

1

0

U

1

7

0

A

2

C

I

P

O

4111

4

P

R

5

R

23

1

C

C

V

-

2

0

U

3

R

4

R

6

R

4

1

R

1

C

C

V

+

1

7

0

A

5

P

C

O

I

4111

1

C

C

V

-

1

P

R

7

0

P

O

A

4

C

I

23

23

6

1

R

1

C

C

V

+

1

411

1

C

C

V

-

3

1

R

5

1

R

1

C

I

83

K

A

6

C

N

C

N

7

C

N

C

N

C

N

C

N

5

.

2

-

D

B

5

8

3

M

L

1

2

1

R

3

P

R

4152

1

1

R

t

R

C

C

V

2

R

1

R

S

V

5

0

6

3

H

T

-

1

P

J

S

V

3

i

V

2

1

器

感

传

度

湿

5

0

6

3

H

T

器

感

传

度

温

0

0

0

1

t

P

图11方案一的总电路图

13

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图12方案二的总电路图

14

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8电