Частота часового кварца: Частоты кварцевых резонаторов | hardware

Содержание

Частота часового кварца

Иногда полезно иметь в системе часы отсчитывающие время в секундах, да еще с высокой точностью. Вот только это дополнительный корпус, да и стоит она порой как сам МК, хотя можно обойтись и без нее. В AVR его правда нет, но там есть асинхронный таймер, служащий полуфабрикатом для изготовления часиков. Почему кварц именно Гц и почему его зовут часовым? Да все очень просто — является степенью двойки.


Поиск данных по Вашему запросу:

Схемы, справочники, даташиты:

Прайс-листы, цены:

Обсуждения, статьи, мануалы:

Дождитесь окончания поиска во всех базах.

По завершению появится ссылка для доступа к найденным материалам.

Содержание:

  • 052-Как запустить неработающий часовой кварц (32768 Гц).
  • Лечим китайские часы. Замена кварца. С картинками!
  • Особенности кварцевой стабилизации частоты генераторов
  • Кварцевая революция: Часы, которые перевернули всю индустрию
  • 32768 Гц (3X8MM) 20PPM 12.5PF, кварцевый резонатор DT-38
  • Кварцевый генератор
  • б РПЮЕНХ ЙНЕООП 32768 зГ ?
  • Часовые кварцевые резонаторы 32768Гц

ПОСМОТРИТЕ ВИДЕО ПО ТЕМЕ: Что такое КВАРЦЕВЫЙ ГЕНЕРАТОР

052-Как запустить неработающий часовой кварц (32768 Гц).


Таким образом, выставлять их надо дважды в год.

Однако кристалл кварца подвержен старению , и со временем часы начинают, как правило, спешить. На нём можно было совершать математические операции с шестизначными числами. Его клавиши нажимали шариковой ручкой.

Размер этих часов составлял несколько квадратных сантиметров. Причиной кризиса послужила привязанность швейцарских часовых производителей к старым традициям производства механических часов [3].

Только через 20 лет, благодаря объединенным усилиям нескольких ведущих фирм швейцарской часовой индустрии , Швейцарии удалось вернуть себе лидирующие позиции на мировом рынке [4]. Электронная часть часов состоит из генератора колебаний, стабилизированных кварцевым резонатором , и делителя. Частота колебаний генератора, как правило, равна 32 Гц. Выбор именно этой частоты обусловлен тем, что для получения секундного такта, необходимого для работы механической части часов, частоту кварцевого генератора требуется разделить на 2 Это делается простейшим двоичным счётчиком , что упрощает электронную часть; особенно актуально это было до начала производства специализированных часовых микросхем.

Импульсы с периодом 1 с подаются на шаговый электродвигатель как правило, это двигатель Лавета , вал которого через систему зубчатых колёс приводит в движение стрелки. Некоторые модели наручных кварцевых часов имеют цифровой дисплей электронных часов так называемые гибридные часы.

Материал из Википедии — свободной энциклопедии. Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии , проверенной 6 января ; проверки требуют 25 правок. Swatch Group. Дата обращения 1 мая Watch Time 20 декабря Для улучшения этой статьи желательно :.

Викифицировать статью. Найти и оформить в виде сносок ссылки на независимые авторитетные источники , подтверждающие написанное. Дополнить статью статья слишком короткая либо содержит лишь словарное определение. Пожалуйста, после исправления проблемы исключите её из списка параметров.

После устранения всех недостатков этот шаблон может быть удалён любым участником. Башенные часы [en] часы в часовой башне Военные часы Карманные часы Траншейные часы Наручные часы Напольные часы Часы с кукушкой. Категория : Часы. Пространства имён Статья Обсуждение. В других проектах Викисклад. Эта страница в последний раз была отредактирована 7 октября в Текст доступен по лицензии Creative Commons Attribution-ShareAlike ; в отдельных случаях могут действовать дополнительные условия.

Подробнее см. Условия использования. Политика конфиденциальности Описание Википедии Отказ от ответственности Свяжитесь с нами Разработчики Заявление о куки Мобильная версия. Для улучшения этой статьи желательно : Викифицировать статью. Это заготовка статьи о часах.

Вы можете помочь проекту, дополнив её.


Лечим китайские часы. Замена кварца. С картинками!

В основе принципа действия кварцевого резонатора лежат физические свойства кристалла кварца. По типу корпуса кварцевые резонаторы могут быть выводные для объёмного монтажа стандартные и цилиндрические и для поверхностного монтажа SMD. Качество схемы, в которую входят кварцевые резонаторы, определяют такие параметры, как допуск по частоте отклонение частоты , стабильность частоты, нагрузочная ёмкость, старение. Кварцевые резонаторы часовой частоты или, так называемые, часовые кварцы — резонаторы частоты Резонансная частота часовых резонаторов

частотой и динамическим сопротив- лением является температурная. Часовые кварцевые резонаторы. Jauch Quartz GmbH – лучше меньше, да лучше.

Особенности кварцевой стабилизации частоты генераторов

Сайт помогает найти что-нибудь интересное в огромном ассортименте магазинов и сделать удачную покупку. Если Вы купили что-то полезное, то, пожалуйста, поделитесь информацией с другими. Также у нас есть DIY сообщество , где приветствуются обзоры вещей, сделанных своими руками. Идеальный номер два? Зарегистрироваться Логин или эл. Напомнить пароль Пароль. Войти Запомнить меня. Войти или Зарегистрироваться. Добавить обзор.

Кварцевая революция: Часы, которые перевернули всю индустрию

Казалось-бы, банальное дело, запустить часовой кварц. Какие могут быть проблемы? Есть микроконтроллер и две его ножки, которые специально предназначены для подключения кварца. Есть часовой кварц.

Технические характеристики кварцевых резонаторов серии для поверхностного монтажа. Технические характеристики кварцевых резонаторов серии SS для поверхностного монтажа.

32768 Гц (3X8MM) 20PPM 12.5PF, кварцевый резонатор DT-38

Что такое генератор? Генератор — это по сути устройство, которое преобразует один вид энергии в другой. Кварцевый генератор представляет из себя генератор частоты и имеет в своем составе кварцевый резонатор. Чаще всего в электронике используется прямоугольный сигнал. Для того, чтобы возбудить кварц на частоте резонанса, нам надо собрать схему. Самая простая схема для возбуждения кварца — это классический генератор Пирса , который состоит всего лишь из одного полевого транзистора и небольшой обвязки из четырех радиоэлементов:.

Кварцевый генератор

Мультиметр с функцией определения частоты не способен проверить кварцевый резонатор. Но, если собрать специальную схему, то резонатор начнёт работать и на экране появится значение частоты. Существует много вариантов схем, но в этой статье рассмотрим только две. Первая схема с минимальным количеством деталей:. Используются следующие радиодетали: транзистор NPN или или КТ; 3 резистора: Ом, 1 кОм и кОм; 4 конденсатора: 2 по 10 нФ код на конденсаторе и 2 по пФ код Питание 12 В, но может работать в более широком диапазоне, начиная от 1,2 В. Вторая схема более сложная:. Используются 2 транзистора или другие подходящие, например, перечисленные выше.

Кварцевые резонаторы часовой частоты или, так называемые, часовые кварцы – резонаторы частоты кГц (или Гц).

б РПЮЕНХ ЙНЕООП 32768 зГ ?

Рис 1. Блок-схема кварцевых часов. Рис 2. При тактовой частоте 4.

Часовые кварцевые резонаторы 32768Гц

ВИДЕО ПО ТЕМЕ: Как измерять частоту Мультиметром DT9207A

Кварцевые генераторы и резонаторы обычно радиолюбители называют их просто «кварцы» производятся в широком диапазоне рабочих частот — от нескольких килогерц до сотен мегагерц. При выборе частоты кварца для разрабатываемого устройства удобно взять кварц на одну из частот популярных приложений — это упрощает поиск нужного кварца, и в конечном итоге уменьшает затраты. Здесь приведен перевод статьи из Википедии [1], где есть таблица популярных частот кварцевых резонаторов. Ниже на рисунке показан внешний вид кварцевых резонаторов и генераторов, часто используемых в радиоэлектронных устройствах.

Детальки нет, но по поводу замены — можно порассуждать. Высокая точность согласования частоты с возможностями конкретного устройства в бытовом применении последний раз использовалась в Apple Mac II в далёком ом году, когда строго заданные кГц обеспечивали работу дисковода — при отклонениях частоты генератора дисковод выдавал ошибки.

Несмотря на все перечисленные в предыдущей главе меры увеличения стабильности гетеродинов трудно получить относительную стабильность частоты выше значения 10 Эта нестабильность приводит к уходу частоты настройки радиоприемного устройства на частоте МГц на Это значение превышает ширину частотного канала современных систем мобильной связи. На более высоких частотах положение с абсолютным уходом частоты в зависимости от температуры еще больше ухудшается. Поэтому велись работы по увеличению стабильности частотозадающих элементов. В результате удалось получить стабильность на два порядка выше при применении в качестве частотозадающих элементов генераторы кварцевых резонаторов.

Таким образом, выставлять их надо дважды в год. Однако кристалл кварца подвержен старению , и со временем часы начинают, как правило, спешить. На нём можно было совершать математические операции с шестизначными числами. Его клавиши нажимали шариковой ручкой.


Внешний кварцевый резонатор

  • максимальная поддерживаемая частота – 16 МГц. Помним, что энергопотребление микроконтроллера значительно возрастает с увеличением рабочей частоты

  • для подключения используются специальные выводы – XTAL1 и XTAL2

  • также для подключения используются дополнительные

    конденсаторы емкостью в 15 – 30 пФ, в зависимости от частоты

Пример подключения кварцевого резонатора приведен на рисунке 1.

Рисунок 1 – Схемы тактирования микроконтроллера

  1. Внешний генератор на RC-цепочке (вместо резонатора)

  • для подключения используются те же самые выводы, что и в предыдущем случае

  • тактовая частота, которую даёт такая RC-цепочка, приблизительно описывается следующим выражением:

f = 1/3RC

  • емкость конденсатора RC-цепочки должна быть не ниже 22пФ

  • также, с помощью фьюз-бита CKOPT (

    Бит CKOPT задает размах тактового сигнала. Т.е. амплитуду колебаний на выходе с кварца) мы можем подключить между выводом XTAL1 и землёй внутренний конденсатор емкостью 36 пФ, что позволяет избавиться от внешнего конденсатора

  • подключаем выход генератора к выводу XTAL1

  • подобный способ тактирования микроконтроллера обеспечивает максимальную точность (+)

  • подобные генераторы имеют достаточно высокую стоимость (-)

Рисунок 2 – Альтернативные схемы тактирования микроконтроллера

Для некоторых приложений (например, часы) нам может понадобиться низкочастотный кварц на 32,768 кГц.

16-битный таймер может считать до 65536 тиков, а частота часового кварца составляет половину этого значения. С помощью такого кварца можно с высокой точностью отсчитывать секундные интервалы.

Регистры, определяющие работу таймера.

В Attiny104 таймер только один: 16-битный. Все примеры приводятся для этого таймера

Основные управляющие регистры

1) TCCRxn (Timer/Counter Control Register) – определяет: значение коэффициента предделителя; режим работы таймера.

Предделитель

Тактовые импульсы нашего микроконтроллера перед тем, как они попадут в счётный регистр таймера, можно пропустить через предделитель с фиксированными значениями: 8; 32; 64; 128; 256 и 1024.

За предделитель отвечают биты: CSn(Clock Select), которые как раз и определяют коэффициент деления тактовых импульсов микроконтроллера.

Режим работы таймера T1 – определяется состоянием битов WGMn

Основные режимы работы

Режим Normal

  • наиболее простой режим работы таймеров

  • единственный режим в младших моделях семейства

  • счетный регистр функционирует как обычный суммирующий счетчик (просто считает до 2n, а вернее от 0 до (2n -1)).

  • в том же такте сигнала, в котором обнуляется счетный регистр TCNTn, устанавливается в «1» флаг переполнения счетного регистра TOVn (Timer Overflow)

  • при равенстве счетного регистра и регистра сравнения устанавливается флаг прерывания OCFn и, если разряд OCIEn регистра 

TIMSK установлен в «1», генерируется соответствующее прерывание

Режим CTC (сброс при совпадении).  

  • счетный регистр функционирует как обычный суммирующий счетчик

  • (НО) максимально возможное значение счетного регистра и разрешающая способность счетчика определяется регистром сравнения OCR (считает до значения, которое указано в регистре сравнения)

  • после достижения значения, записанного в регистре сравнения, счет продолжается с 0. В том же такте сигнала, в котором обнуляется счетный регистр, устанавливается флаг прерывания TOV1 регистра TIFR

  • при достижении счетчиком максимального значения устанавливается флаг OCF0x регистра TIFR.

2) TCNT1 – счетный регистр – в нём накапливаются тактовые импульсы.

Поскольку используем 16-битный таймер, его счётный регистр по сути делится на два регистра – младший (TCNT1L) и старший (TCNT1H).

ЗАПИСЬ сначала в СТАРШИЙ. ЧТЕНИЕ сначала из МЛАДШЕГО.

Запись в старший регистр (TCNTxH) ведется вначале в регистр TEMP. Это служебный регистр, и для пользователя он недоступен. Затем в регистр TCNTxL записывается младший байт. В этот момент в реальный TCNTxH заносится ранее записанное (автоматически) в регистр TEMP значение. Получается, что два байта, старший и младший, записываются одновременно. Также рекомендуется перед записью запретить прерывания:

CLI                                          // Запрещаем прерывания

OUT   TCNT1H, R16             //Старший байт записан в регистр TEMP

OUT   TCNT1L, R17              // Запись сразу в обе половинки

SEI                                          // Разрешаем прерывания

Источники прерываний таймера

Как только происходит переполнение счетного регистра или ещё какое-нибудь событие, сразу же происходит вызов прерывания.

За прерывания от таймеров отвечают регистры:

TIMSK – это регистр масок, биты, находящиеся в нем, локально разрешают прерывания. Если бит установлен, значит конкретное прерывание разрешено. Если бит сброшен в ноль, значит данное прерывание запрещено. По умолчанию после системного сброса все биты регистра TIMSK сброшены в ноль.

TIFR – это непосредственно флаговый регистр. Когда какое-то прерывание срабатывает, устанавливается соответствующий ему флаг.

Каждому из четырех прерываний регистра TIMSK соответствует свой собственный флаг регистра TIFR, так прерыванию TOIE1 соответствует флаг TOV1

Все, что нужно знать перед покупкой кварцевых часов

До того, как кварц стал повсеместным и вызвал гнев многих любителей часов, когда-то кварц был передовой технологией, которая едва не перевернула всю индустрию часового дела. Положив начало тому, что называют кварцевым кризисом или кварцевой революцией (в зависимости от вашего отношения к технологии), кварц быстро доказал, что самый надежный и точный способ определить время — это не сложная сеть шестеренок, а маленький кристалл. , аккумулятор и несколько крошечных моторов. Использование этой методологии для хронометража было очевидно непростительным для некоторых, отсюда и статус кварца из четырех букв среди многих энтузиастов часов.

Но неважно, что кварцевые часы, за исключением случайной замены батарейки, требуют гораздо меньше обслуживания, чем их механические аналоги. Забудьте, что они более точны, чем даже самые дорогие, самые искусно настроенные механические часы. Забудьте, что они более доступны, чем механические часы. Однако, как только вы немного покопаетесь под капотом и поймете, как работает технология, она станет совершенно увлекательной — и многие часовые снобы осознали, что дешевые часы с кварцевой регулировкой не так уж и плохи.

Более того, кварцевая технология невероятно проста и может быть уменьшена и дополнена другой электроникой и интеллектуальными функциями. Например, «гибридные» умные часы используют кварц в качестве основы для аналогового хронометража, а затем добавляют другие элементы, такие как шагомеры и мониторы сердечного ритма. Другие производители часов смогли внедрить атомный хронометраж в свои кварцевые часы и возможность подключения к смартфону, сделав сверхточные часы еще более точными. Одним словом, это далеко не старая, простая и бездушная технология — она продолжает развиваться.

Некоторые великие кварцевые часы для покупки

Вехи в кварцевой технологии

1880: Французские физики Жак и Пьер Кюри открыли пьезоэлектричество в кварце.
1927: Уоррен Маррисон и Дж. У. Хортон создают первые кварцевые часы в Bell Laboratories.
1952: И Elgin, и LIP представляют прототипы электронных часов, хотя ни в одном из них не используется кварц.
1957: Hamilton представляет первые потребительские электронные часы.
1967: Швейцарский центр электронных часов производит прототип кварцевых наручных часов Beta 1.
1969: Seiko выпускает Astron, первые коммерчески доступные кварцевые часы. Он стоит 450 000 иен, сегодня это более 8 000 долларов.
1971: Girard-Perregaux представляет калибр 350, который устанавливает стандарт кварцевых колебаний на частоте 32 768 Гц, быстрее, чем предыдущие кварцевые часы, и оказался более точным и потребляющим меньше энергии.

Как работают кварцевые часы?

Любые часы нуждаются в колеблющемся, регулирующем элементе, чтобы показывать точное время; на механических часах это принимает форму балансовой пружины и балансового колеса. Однако на кварцевых часах есть крошечный кристалл кварца, вырезанный в форме камертона. Кварц естественным образом вибрирует с определенной частотой, а также обладает пьезоэлектрическими свойствами, а это означает, что при воздействии на него давления он производит небольшой вольт электричества.

Верно и обратное этому свойству: когда через кварц проходит электрический ток, он вибрирует с очень регулярной частотой, обычно 32 768 раз в секунду. Микросхема часового механизма затем уменьшает эту частоту до одного электрического импульса в секунду. Этот импульс приводит в действие двигатель, который, в свою очередь, приводит в движение секундную стрелку и дает кварцевым часам характерный такт с частотой один раз в секунду.

Что такое «высокоточный кварц»?

Большинство часов с кварцевым механизмом гарантируют точность около 15 секунд в месяц или около того. Это по-прежнему намного лучше, чем даже самые лучшие механические часы, но есть разновидность кварцевых часов, которые могут работать еще лучше: High Accuracy Quartz (HAQ). HAQ по-прежнему работают по тем же принципам, что и стандартные кварцевые механизмы, но они учитывают одну серьезную угрозу точности кварцев: изменения температуры. Таким образом, HAQ являются термокомпенсированными и могут обнаруживать эти изменения и соответствующим образом настраиваться, что обычно приводит к гарантированной точности около 10 секунд в год.

Что такое Мека-Кварц?

Иногда вы можете встретить термин «мека-кварц» или «гибрид», связанный с кварцевыми часами-хронографом. Не путайте: это по-прежнему часы на батарейках, регулируемые кварцевыми кристаллами. Этот тип технологии имеет интересную историю и включает в себя механический элемент, но рекламировать его как «механический» или «гибридный» — это слишком далеко (по нашему скромному мнению). По-настоящему гибридной часовой технологией станут впечатляющие инновационные механизмы Spring Drive от Seiko.

Вот как это работает: Он использует один шаговый двигатель и связанные шестерни для питания всех стрелок хронографа вместо отдельных двигателей для каждой. Это обеспечивает две вещи для пользователя: позволяет стрелкам возвращаться к нулю при сбросе (вместо того, чтобы медленно возвращаться назад) и дает ощущение, похожее на нажатие кнопок на механическом хронографе (если вам нравится это чувство, то, возможно, часы meca-quartz для вас). В мека-кварцевых часах, которые вы видите сегодня, в основном используются доступные механизмы производства Seiko, и они предоставляют компаниям возможность предлагать крутые дизайны хронографов всего за несколько сотен долларов или около того.

Кварцевые часы тоже могут быть предметами коллекционирования

Вам простительно думать, что «коллекционирование» связано исключительно с механическими часами и Ролексами. Однако есть очень интересные и высококачественные винтажные кварцевые часы, которые многие сочтут коллекционными. Они могут не только предлагать уникальные истории и представлять поворотные моменты в технологиях, но особенно из 70-х и 80-х годов могут также предлагать эстетику, совершенно отличную от того, что там есть. Однако лучше всего то, что винтажный кварц предлагает гораздо более доступный способ коллекционирования. Возобновление интереса к этим часам также привело к тому, что часовщики перевыпустили старинные кварцевые часы, предназначенные для энтузиастов и коллекционеров.

Подробно: технические и личные взгляды инженера на кварцевые часы

Для бескомпромиссного энтузиаста механических часов одним из самых страшных слов в технических характеристиках часов, безусловно, является «кварц». Часто за этим страхом следует мысль: , если бы это было механическое…

Должен признаться, это пришло мне в голову, когда я обнаружил прекрасного Cartier Santos Dumont в 2019 году. И это несмотря на все усилия Cartier по донесению того, что движение внутри находился долгоавтономный кварцевый калибр с шестилетним сроком службы батареи.

Трио Cartier Santos Dumont, только вариант XL (крайний слева) механический

С тех пор я начал задумываться над вопросом: почему я ищу новейшие электронные гаджеты, но пренебрежительно отношусь к кварцевым часам ? То, что кварцевые механизмы зачастую дешевы и легкодоступны, делает их неинтересными?

Кварцевый кризис

В понедельник, 29 декабря 1969 года, где-то в The New York Times  — восьмистрочный абзац, заканчивающийся словами «первые в мире электронные наручные часы с кварцевым генератором». Эти электронные часы, как вы могли догадаться, были Seiko Quartz-Astron. В то время это было едва ли очевидно, но объявление, каким бы безобидным оно ни было, должно было стать предвестником кризиса для швейцарского часового производства.

Отец всех кварцевых часов, Seiko Quartz-Astron 35SQ из 18-каратного желтого золота

Quartz-Astron стоил столько же, сколько Toyota Corolla на момент выпуска – его цена была эквивалентна примерно 1200 долларов США – и был, без сомнения, предметом роскоши. Более десяти лет спустя, в 1982 года Seiko запустила новую линейку недорогих кварцевых часов, а ее американская реклама содержала слоган «Народный кварц. Это все, кроме дороговизны».

Наряду с Seiko американские компании, такие как Texas Instruments, начали производство доступных кварцевых механизмов, и в течение следующих нескольких лет продажи кварцевых наручных часов резко выросли. Эти относительно высококачественные кварцевые часы столкнулись с дешевой конкуренцией со стороны Гонконга и других мест, где были созданы длинные автоматизированные производственные линии для выпуска миллионов кварцевых механизмов, работающих круглосуточно, как будто у них не было времени.

Параллельно с кварцевым кризисом произошла цифровая революция, в результате которой на наручных часах появились жидкокристаллические дисплеи (ЖК-дисплеи). Casio, как известно, представила полностью цифровые часы G-Shock DW-5000 в 1983 году, которые до сих пор остаются вершиной категории часов «Go-Anywhere-Do-Anything» (GADA) спустя около 40 лет и 100 миллионов часов.

В то время как низкая стоимость кварцевых часов была основной движущей силой продаж в 1980-х годах, преимущества кварцевых часов по сравнению с механическими были многочисленными — ударопрочность и устойчивость к магнетизму, превосходный хронометраж, дополнительные усложнения без соответствующего увеличения сложности, и этот список можно продолжить. .

Оригинальный G-Shock 1983 года

Единственным недостатком кварцевых часов является то, что механизм может остановиться без предупреждения, как только разрядится батарея. Незапланированная поездка в универмаг за заменой батареи — это план, когда вы находитесь в машине, но реальность такова, что вы, скорее всего, закончите с другими кварцевыми часами из универмага. Кварцевые часы одноразовые, как нас давно учат продавцы всего мира.

С такой репутацией невозможно изменить потребительское мышление на такое, в котором кварц считается роскошью. Естественно, премиальные бренды, такие как Rolex и Patek Philippe, быстро отказались от концепции высококачественных кварцевых часов после краткого набега на рынок с кварцевым механизмом Beta 21 — первым коммерчески доступным кварцевым механизмом в Швейцарии — и вместо этого удвоили ставку на производство механических часов. Однако японские часовщики, такие как Seiko и Citizen, по-прежнему твердо придерживались кварцевых часов, создав для себя нишу, в которой немногие швейцарские часовщики хотели конкурировать.0004

Помимо философской сложности принятия кварцевого механизма в качестве высокотехнологичного, эта технология сопровождается беспроигрышной раздачей – прыгающей (или бьющейся) секундной стрелкой. В то время как я превозносил техническое и философское совершенство механических часов с секундной стрелкой, тикающие секунды в кварцевом механизме — это часовая запоздалая мысль, разработанная для минимизации энергопотребления и увеличения срока службы батареи.

Часы Rolex Beta 21, арт. 5100 «Texano» — выпущено всего 1000 экземпляров, большинство из желтого золота, а представленный экземпляр из белого золота встречается крайне редко

Секундочку, что такое кварц?

История кварцевых часов началась в 1880 году французскими братьями Полем-Жаком и Пьером Кюри — последний был мужем Марии Кюри — когда они открыли пьезоэлектрический эффект. Для моих ученых друзей, владеющих греческим языком, пьезоэлектричество говорит само за себя, само это слово является как можно более прямым переводом эффекта.

Для остальных из нас пьезо означает «сжимать», а пьезоэлектричество, таким образом, относится к электрическому заряду, создаваемому в результате сжатия или, другими словами, механического напряжения. И законы физики допускают обратное явление — обратный эффект пьезоэлектричества — когда напряжение может деформировать пьезоэлектрический материал.

Благодаря пьезоэлектрическому эффекту батарея находится в кварцевом механизме: это источник напряжения, вызывающий деформацию кристалла кварца. Кристалл кварца имеет форму камертона, его деформация и последующая релаксация создают колебания с собственной частотой, которая зависит от длины плеч, как и у любого другого камертона.

Большинство кварцевых механизмов имеют собственную частоту 32 768 Гц, что примерно на четыре порядка (или примерно в 10 000 раз) больше, чем у любимого баланса рычажного спуска. Вибрация кристалла кварца, в свою очередь, генерирует напряжение посредством пьезоэлектрического эффекта, которое передается на интегральную схему. Затем схема подсчитывает количество колебаний.

Когда достигается заданное количество колебаний (например, 32 768), схема записывает одну секунду как прошедшую. Естественно, это приводит к двум вопросам. Почему собственная частота 32 768 Гц? И как поддерживаются постоянные вибрации?

Камертон кварцевого механизма Grand Seiko достаточно мал, чтобы поместиться в трубку диаметром 1 мм на заднем плане. Изображение – Grand Seiko

Первым брендом, использовавшим кварцевый кристалл с частотой 32 768 Гц, был Girard Perregaux в 1919 году. 71, когда дебютировал механизм GP 350. Склонные к математике поймут, что 32 768 — это два, возведенные в степень 15  90 113. С точки зрения вычислений предпочтительны степени двойки, потому что их проще всего реализовать в двоичном выражении.

Исполнение будет выглядеть так: кварцевый кристалл выдает синусоидальную волну с частотой 32 768 Гц, и она сначала преобразуется в прямоугольную или импульсную. Первый бит счетной схемы регистрирует каждое падение напряжения («запуск по отрицательному фронту») и переключается (с «0» на «1» или наоборот). Обратите внимание, что выход этого первого бита также представляет собой прямоугольную волну, и она подается на второй бит. При каждом отрицательном фронте второй бит инвертируется.

Эта цепочка «триггерной» схемы длиной 15 бит будет достигать 1 Гц на 15-м -м бите. Затем электронная схема сообщает секундной стрелке, чтобы она передвинулась на одну секунду в соответствии с этой информацией. Наименьшая степень двойки, превышающая 20 000 Гц, предел человеческого слуха, составляет 32 768 Гц, что объясняет отсутствие слышимого шума, создаваемого вибрациями внутри кварцевого механизма.

Чтобы поддерживать колебания кварцевого кристалла, помните, что каждое колебание кварцевого кристалла генерирует напряжение в цепи. Затем это напряжение используется в цепи, которая колеблется с частотой 32 768 Гц, усиливая напряжение, а затем отправляя его обратно в кварцевый кристалл, обеспечивая энергию для долговременных колебаний. Этот процесс аналогичен настройке механического калибра с заводной пружиной, поддерживающей баланс в движении.  

Высокоточный кварц

Хотя основные принципы работы всех кварцевых механизмов одинаковы, не все кварцевые механизмы сделаны одинаково. Подобно тому, как в механических механизмах используются волосковые пружины разных марок, в кварцевых механизмах используются различные типы кристаллов кварца.

И это возвращает нас к магическому числу 32 768 — быстрое колебание кварцевого кристалла лежит в основе превосходной точности кварца по сравнению с обычным механическим механизмом.

Как и в случае с высокочастотными механическими механизмами, увеличение частоты кварцевых колебаний за счет использования более высоких степеней двойки может повысить точность. Примером может служить механизм Precisionist с частотой 262 144 Гц производства Bulova, ныне дочерней компании Citizen. Он работает в восемь раз быстрее, чем обычный кварцевый механизм.

Хронограф Bulova Lunar Pilot с кварцевым механизмом Precisionist с частотой 262 кГц. высокую частоту, а затем соответствующим образом настроить кристалл для достижения более высокой точности.

Повышенная точность благодаря более высокой частоте

В реальных условиях точность Precisionist почти в восемь раз выше, чем у обычного кварцевого механизма, что означает погрешность в несколько секунд в месяц. Чтобы достичь еще одной величины точности — несколько секунд в году — в игру вступают другие факторы. Мы вернемся к частоте в конце этого раздела.

Несмотря на огромную пропасть между ними, собственная частота кварцевого кристалла зависит от температуры, как и в случае с традиционным балансовым колесом. В то время как в механических механизмах используются сплавы класса инвар для колес баланса и сплавы класса элинвар для спиральных пружин, чтобы справиться с последствиями колебаний температуры, кристалл кварца нельзя заменить другим материалом для лучшего поведения в диапазоне температур. Вместо этого решением является термокомпенсация.

Термокомпенсация работает следующим образом: после настройки кварцевого кристалла на выбранную частоту определяется его собственная частота в нескольких температурных точках. Механизм измеряет температуру окружающей среды вместе с кристаллом кварца и использует справочную таблицу («Таблица поиска»), чтобы преобразовать новую частоту в хронометраж. В кварцевых механизмах Grand Seiko 9F и новых механизмах Spring Drive 9RA2/9RA5 температура измеряется 540 раз в день через фиксированные интервалы времени.

Кроме того, термокомпенсация требует наличия частоты полного разрешения 32 768 Гц вместо двоичного счета, описанного выше. Этот метод неофициально известен как метод цифрового подсчета.

Однако это не единственный метод термокомпенсации. Как оказалось, частоту кристалла можно настроить, подав немного другое напряжение. Этот класс кварцевых синхронизирующих схем известен как кварцевый генератор, управляемый напряжением (VCXO). А когда входом для управления напряжением является мгновенная температура кварца, система известна как VCXO с температурной компенсацией или сокращенно TCVCXO. В механизмах Rolex Oysterquartz 1970-х годов использовалась такая система, и неизвестно, была ли с тех пор реализована TCVCXO в механизмах наручных часов.

Кал. 5055 в часах Rolex Oysterquartz Day-Date ref. 19000/19019. Изображение – Antiquorum

Кварцевые кристаллы, используемые в часовых механизмах, имеют температурную чувствительность около 0,035 ppm/°C 2 . Предполагая, что кварц настроен точно на 32 768 Гц при 25°C, рабочая температура не может отклоняться более чем на несколько градусов Цельсия, чтобы удерживать время с точностью до нескольких секунд в год.

Таким образом, термокомпенсация необходима для достижения требуемой точности при повседневном использовании, когда, например, при выходе из здания с кондиционером и выходе на солнце могут возникать резкие перепады температур.

Напротив, кварцевый генератор с печным управлением (OCXO), который используется для высокоточных научных инструментов, основан на поддержании постоянной температуры. Однако OCXO не подходит для приложений с низким значением SWaP (размер, вес и мощность), таких как наручные часы, которые обычно питаются от литиевой батареи размером меньше монеты. OCXO, с другой стороны, находятся внутри основных часов, которые представляют собой стационарные настольные устройства, которые обеспечивают эталонное время для других электронных устройств.

Основные часы G-02X OCXO (вверху), изготовленные японской компанией Esoteric для высококачественных аудиосистем. Изображение – Esoteric

Соотношение между частотой и температурой приблизительно квадратично в этом выбранном диапазоне температур

Как упоминалось выше, поскольку движения кварца ограничены кристаллом кварца как единственным материалом для генератора, лучшее поведение в диапазоне температур невозможно. . При этом, хотя материал нельзя изменить, на его поведение может повлиять другой фактор: ориентация кварца.

Кварц является анизотропным материалом, а это означает, что его физические свойства зависят от направления измерения свойства. Другим примером анизотропного материала является древесина: древесина легче ломается вдоль волокон, чем перпендикулярно волокнам.

Топоры из кристалла кварца. Источник — «Трехэлектродный самодействующий кварцевый кантилевер с самочувствием: конструкция, анализ и экспериментальная проверка», Vol. 81, The Review of Scientific Instruments, июнь 2010 г.

Приведенная выше диаграмма температурной чувствительности типична для камертонного кварцевого кристалла, но для небольшого блока кварца, срезанного в определенном направлении — АТ-срез и 35° тета-вращение — результат гораздо более пологая кривая в том же диапазоне температур. Это означает меньшую зависимость от термокомпенсации для лучшего хронометража, или движение в окне можно сделать более точным до того, как сработает термокомпенсация.

Есть еще одно преимущество перехода на кварцевые кристаллы AT-огранки: частота колебаний намного выше, измеряемая в МГц (мегагерцах или миллионах герц). Теоретически это может обеспечить точность до доли секунды в год. Например, Citizen Calibre 0100 обещает точность в пределах одной секунды в год.

Однако работа кварцевого механизма на сверхвысоких частотах увеличивает вычислительную сложность и потребление энергии. Решение, принятое Citizen, — это его технология солнечной энергии Eco-Drive, которая регулярно заряжает силовой элемент через солнечные панели на циферблате.

Самые точные в мире кварцевые наручные часы Citizen Calibre 0100

Однако, несмотря на то, что кварцевые кристаллы очень эффективно поддерживают стабильную частоту (они обладают высокой добротностью), они могут не поддерживать точную частоту в течение длительного времени, а именно месяцев. или лет. Термин для этого — дрейф или старение кварца. Установлено, что дрейф частоты наиболее значителен в первые месяцы эксплуатации и затухает логарифмически.

Это актуально для высокоточных кварцевых механизмов, поскольку собственная частота кристалла со временем дрейфует из-за нескольких факторов. Чистота кристалла, а также выделение газа из упаковки кристалла могут образовывать поверхностные загрязнения, которые влияют на массу кристалла и, следовательно, на стабильность частоты. Механические нагрузки от крепления кварцевого кристалла также влияют на долговременную стабильность частоты.

Эти потенциальные ловушки могут быть смягчены во время производства путем сборки механизмов в высокоточной чистой среде, герметической герметизации упаковки кристалла и калибровки кристалла кварца после периода старения. И Citizen Calibre 0100, и Grand Seiko 9Таким образом, в механизмах F используются кристаллы кварца, выдержанные не менее трех месяцев, а также герметичные капсулы из кристаллов, противодействующие этим эффектам.

Юбилейная версия кварцевых часов Grand Seiko 9F с механизмом, открывающимся через открытую заднюю крышку. Изображение – Grand Seiko

Увеличение запаса хода

Однако повышение точности достигается за счет увеличения энергопотребления. Как отмечалось выше, Citizen Calibre 0100 использует солнечную энергию для зарядки механизма, но есть и другие способы увеличить автономность часов.

Одними из самых известных являются кварцевые механизмы Seiko Kinetic с автоподзаводом, которые перезаряжаются с помощью ротора, подобно автоматическим механическим часам (хотя калибры Kinetic не являются кварцевыми с высокой точностью).

Неожиданное — женевская независимая часовая компания F.P. Журнал. Его наручные часы Élégante с кварцевым кал. 1210 переходит в спящий режим примерно через 35 минут бездействия. Мини-ротор, представляющий собой свободно вращающийся полукруглый диск, функционирует как механический детектор движения.

Ф.П. Journe Élégante 48

Когда часы двигаются, ротор вращается и генерирует ток. Этот ток пробуждает механизм, который затем заставляет неподвижные стрелки показывать правильное время. Ф.П. Журн утверждает, что эта функция энергосбережения позволяет часам работать без замены батареи до 18 лет по сравнению с обычным интервалом от трех до пяти лет для обычных кварцевых часов.

На самом деле, если роскошь заключается в простоте и удобстве для владельца, то Élégante, вероятно, находится на вершине игры. Недостатком, конечно же, является тот факт, что Élégante не является высокоточным кварцем, поэтому он показывает время только со средней точностью.

Мини-ротор с датчиком движения в F. P. Journe Élégante, расположенный около 4 часов

Может ли кварц жить на солнце?

Помимо привлекательности бренда, привлекательность роскошных часов обычно заключается в кропотливой отделке и сборке – все делается вручную. Мы отмечаем, что оба не являются эксклюзивными для механических механизмов, механизм Grand Seiko 9R02 Spring Drive с кварцевой регулировкой и ручным заводом может похвастаться отделкой мирового класса. Его полный закругленный угол , который включает в себя острые внутренние углы, примером которых является угол между двумя драгоценными камнями ниже, характерен для высококачественной традиционной ручной отделки.

Ручная отделка Grand Seiko 9R02

Чуть более доступный уровень, кал. 1210 модели Élégante декорирован настолько полно, насколько это возможно для кварцевого механизма. Его пластина из 18-каратного розового золота украшена узором Côtes de Genève, что придает ему эстетику, аналогичную большинству механических часов F.P. Дневные движения.

Кал. 1210 модели Élégante с пластинами из 18-каратного розового золота, даже с электрическими дорожками из красного золота

Короче говоря, тот факт, что подавляющее большинство кварцевых часов изготавливается без участия человека, не исключает существования искусно сделанных, хорошо считаются кварцевые часы.

Но остается вечная причина возражать против всего, что связано с кварцем: электронные схемы не могут работать вечно, а роскошь должна быть вечной.

При надлежащем хранении высококачественные электронные схемы могут служить очень долго, срок службы которых измеряется десятилетиями. Фактически, спутники и космические корабли, построенные в 1970-х годах, до сих пор передают ценные научные данные из глубокого космоса обратно на Землю, несмотря на жесткое излучение за пределами нашей Солнечной системы. И эти космические путешественники, естественно, снабжены электронными часами, хотя и примитивными по сравнению с сегодняшними хронометрами. И все же они есть, путешествуя далеко за пределы человеческого воображения и все еще колеблясь.

Конечно, часто бывает выгоднее просто заменить кварцевый механизм, чем ремонтировать его, что объясняет представление о том, что кварцевые часы одноразовые. Но это вопрос экономики, а не внутренняя ошибка электронных схем.

Это напоминает мне философский парадокс, известный как Корабль Тесея: был бы корабль точно таким же, если бы его полностью заменяли по частям?

Хотя в философии идентичности нет быстрых ответов, мы доросли до принятия философии Х. Мозера о замене всего узла баланса или «сердца» механизма во время обслуживания благодаря его запатентованной модульной конструкции. Действительно, мне трудно придумать законную причину того, что качественные кварцевые часы по своей сути уступают своим механическим аналогам.  

Заключительные мысли

 

«Почти все действительно интересно, если вникнуть в это достаточно глубоко» — хорошая философия для жизни, тем более что она была достаточно хороша для Ричарда Фейнмана, легендарного физика, лауреата Нобелевской премии.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *