Как работает кварц: Страница не найдена — Практическая электроника

Содержание

Кварцевые резонаторы, что это такое и где они применяются?

Смотрите также обзоры и статьи:

Кварцевые резонаторы, что это такое и где они применяются?

Наверняка каждый радиолюбитель слышал о таком радиокомпоненте, который называют «кварцем». Что же это за компонент? У многих «кварц» ассоциируется с минералом природного происхождения, но ведь никто не вставляет в устройство целый кварцевый кристалл. Так что же это а компонент, как он устроен и где применяется?

Что такое кварц и как он работает?

Кварц — жаргонное название радиокомпонента, который называется кварцевым резонатором. Основа такого радиокомпонента — кварцевая (или керамическая) пластина, на которой находится два электрода. Под действием тока пластина начинает деформироваться, порождая вибрации определенной частоты. Частота и тип вибрации зависит о типа кристалла (его размеров, формы, толщины), количества электродов, нанесенных на кристалл, а также напряжения и силы тока, которые на него поступают.

Кстати, кварцевые резонаторы способны генерировать противо-ЭДС, что делает их схожими с катушками индуктивности, которые работают в колебательном контуре. Если же частота колебаний подаваемого напряжения равна частоте механических колебаний резонатора, затраты энергии на поддержание работы резонатора значительно снизятся.

Применение кварцевых резонаторов

Если разобрать простые «кварцевые» часы, Вы наверняка найдете в них… кварцевый резонатор. Кварцевые резонаторы с частотой 32768 Гц установлены во всех кварцевых часах. Они выравнивают частоту колебательного контура, которая в свою очередь поступает на двоичный счетчик, а он передает импульсы шаговому двигателю.

Также кварцевые резонаторы являются составным компонентом генераторов тактовых импульсов, которые в свою очередь широко применяются в современной цифровой технике. Преимущества и недостатки перед аналогичными устройствами:
  • Кварцы могут иметь очень маленький размер, вплоть до долей миллиметра. Это позволяет применять их даже в самых миниатюрных устройствах и современных гаджетах.
  • Современные кварцевые резонаторы имеют невероятно большой срок службы.
  • Также, кварцевые резонаторы имеют высокую температурную стабильность. Даже при высоком нагреве при работе устройства, они будут нормально функционировать.
  • С помощью кварцевых резонаторов можно строить эффективные и недорогие каскадные фильтры, которые совершенно не требуют ручной настройки.
  • Технология изготовления кварцевых резонаторов весьма простая и эффективная.
Помимо такого огромного набора преимуществ, у кварцевых резонаторов есть и недостатки. Точнее всего один:
  • Весьма узкий диапазон подстройки частоты внешними устройствами. Для создания многодиапазонных систем приходиться собирать синтезаторы частоты различной степени сложности.
Типы кварцевых генераторов Кварцевые генераторы различаются по типу корпуса, а также по частоте, которую они способны выдавать. Основных типов корпуса не так много:
  1. HC-49S — прямоугольные низкие кварцы.
  2. HC-49U — прямоугольные, как и предыдущие, но более высокие.
  3. HC-49SM — могут иметь форму как и две предыдущие группы, но предназначены для поверхностного монтажа.
  4. DIP — прямоугольный корпус с четырьмя выводами.
  5. Цилиндры — просто цилиндрический корпус с двумя выводами. Такие кварцевые резонаторы могут иметь самый разный размер.

Опубликовано: 2020-04-24 Обновлено: 2021-08-30

Автор: Магазин Electronoff

ПОДХОДЯЩИЕ ТОВАРЫ

Поделиться в соцсетях

Кварцевые резонаторы. Виды и применение. Устройство и работа

Современная цифровая аппаратура нуждается в высокой точности, поэтому часто в цифровых устройствах содержится кварцевый резонатор, который является стабильным и надежным генератором гармонических колебаний. Цифровые микроконтроллеры работают на основе этой постоянной частоты, и используют ее для работы цифрового прибора. Кварцевые резонаторы являются надежной заменой контура колебаний, собранного на конденсаторе и катушке индуктивности.

Добротность контура колебаний на основе катушки и конденсатора не превышает 300. Она является характеристикой контура колебаний, определяющей величину полосы резонанса. Добротность показывает, во сколько раз энергия колебательной системы превышает потери энергии в течение одного периода колебаний. Чем больше добротность, тем меньше теряется энергии за один период, и медленнее затухают колебания. Емкость конденсатора в обычном контуре колеблется в зависимости от температуры среды. Величина индуктивности катушки также зависит от многих факторов. Существуют даже соответствующие коэффициенты, определяющие зависимость параметров этих элементов от температуры.

Разновидности

Кварцевые резонаторы, в отличие от вышеописанных контуров колебаний, обладают очень большой добротностью, достигающей значения в несколько миллионов. При этом температура в пределах -40 +70 градусов никак не влияет на этот параметр. Высокая стабильность работы кварцевых резонаторов при любой температуре послужила их широкому применению в цифровой электронике и радиотехнике.

По типу корпуса:
  • Для объемной установки (цилиндрические и стандартные).
  • Для поверхностного монтажа.
По материалу корпуса:
  • Металлические.
  • Стеклянные.
  • Пластиковые.
По форме корпуса:
  • Круглые.
  • Прямоугольные.
  • Цилиндрические.
  • Плоские.
По количеству резонансных систем:
  • Одинарные.
  • Двойные.
По защите корпуса:
  • Герметичные.
  • Негерметизированные.
  • Вакуумные.
По назначению:
  • Фильтровые.
  • Генераторные.

Важным свойством кварцевых резонаторов для успешной работы является их активность. Но она не определяется только собственными свойствами. Вся электрическая схема влияет на его активность.

В резонаторах, используемых в фильтрах, применяются такие же виды колебаний, как и в генераторных резонаторах. В фильтрах используются 2-х и 4-х электродные вакуумные резонаторы. Для многозвенных фильтров чаще всего применяются 4-х электродные, так как они более экономичные.

Принцип действия и устройство

Кварцевые резонаторы работают на основе пьезоэлектрического эффекта, образующегося на кварцевой пластинке. Кварц – это природный кристалл. Он представляет собой модификацию соединения кремния с кислородом, и имеет химическую формулу Si O2. Массовая доля кварца в земной коре составляет около 60%, в свободном виде 12%. В других минералах также может содержаться кварц.

Для производства кварцевых резонаторов используют низкотемпературный кварц. Он обладает выраженным пьезоэлектрическим эффектом. Химическая устойчивость кварца очень высока, растворить кварц способна только гидрофторидная кислота. По твердости кварц стоит на втором месте после алмаза. Кварцевую пластинку для резонатора изготавливают путем вырезания из кварца кусочка под заданным определенным углом. В зависимости от этого угла среза кварцевая пластинка отличается разными электромеханическими параметрами.

От вида среза зависит наличие или отсутствие паразитных частот, стабильность работы при любых температурах, частота колебаний. На обе стороны кварцевой пластинки наносят слой одного из дорогостоящих металлов: серебра, платины, никеля или даже золота. После этого пластинку фиксируют прочными проволочками в корпусе резонатора. Затем производят герметичную сборку корпуса.

В результате образуется колебательный контур, обладающий собственной частотой резонанса, определяющей работу всего резонатора. Если к электродам пластинки приложить переменное напряжение с частотой резонанса, то возникнет резонансный эффект, а амплитуда колебаний пластинки значительно повысится. При этом резонатор уменьшит свое сопротивление на значительную величину. Этот процесс подобен тому процессу, который происходит в контуре колебаний последовательного вида (на основе катушки и конденсатора). Потери энергии при возбуждении кварцевого резонатора на частоте резонанса очень малы, так как добротность кварцевого контура колебаний очень высока.

Эта эквивалентная схема состоит из:
  • R – Сопротивление.
  • С1 – Емкость.
  • L – Индуктивность.
  • С2 – Статическая электрическая емкость пластинок вместе с держателями.

Эти элементы определяют электромеханические параметры кварцевой пластинки. Если удалить монтажные элементы, получается последовательный контур . При установке на монтажную плату, кварцевый резонатор не переносит чрезмерного нагрева, так как его конструкция очень хрупкая. Сильное нагревание может деформировать держатель и электроды, что отражается на функционировании готового кварцевого резонатора. Кварц полностью теряет свои свойства пьезоэлектрика при нагревании до температуры 5370 градусов. Однако паяльник не способен так сильно разогреваться.

На электрических схемах кварцевый резонатор обозначается по аналогии с конденсатором, но между пластин изображен прямоугольник, символизирующий кварцевую пластинку. На схеме резонатор обозначен «QX».

Обычно причиной неисправностью кварцевого резонатора становится сильный удар или падение устройства, в котором он находится. В этом случае резонатор подлежит замене на новый, с такими же параметрами. Такие неисправности возникают в маленьких приборах, которые проще уронить, или повредить. Но такие повреждения резонаторов встречаются не часто, и обычно неисправность устройства кроется совсем в другом.

Как проверить кварцевые резонаторы

Для проверки резонатора на его работоспособность, собирают специальный простой тестер, помогающий проверить кроме работы резонатора, еще и его частоту резонанса. Схема такого устройства похожа на кварцевый генератор, собранный на транзисторе.

Подключив резонатор между отрицательным полюсом и базой транзистора через защитный конденсатор, с помощью частотомера измеряют частоту резонанса. Такая схема подходит для настройки контуров колебаний. При включенной схеме исправный резонатор создает колебания. В результате на эмиттере транзистора возникает переменное напряжение с частотой резонанса тестируемого резонатора.

Если к выходу тестера подключить частотомер, то можно измерить частоту резонанса. При стабильной частоте и небольшом нагревании корпуса резонатора паяльником частота не должна значительно изменяться. Если частотомер не обнаруживает возникновение частоты, либо она сильно изменяется или имеет большие отличия от номинала, то резонатор негоден и требует замены.

При использовании такого тестера для настройки контуров, емкость С1 обязательна. Но при проверке исправности резонаторов ее присутствие в схеме не требуется. При этом колебательный контур просто подсоединяют на место кварцевого резонатора и тестер начинает создавать колебания таким же образом.

Тестер, выполненный по рассмотренной схеме, хорошо зарекомендовал себя на частоте 15-20 мегагерц. Для других интервалов можно найти другие схемы, собранные на микросхемах и других компонентах.

Сфера применения
Благодаря стабильности параметров кварцевых резонаторов, они нашли широкое использование в различных областях:
  • Многие измерительные устройства работают на основе таких резонаторов, при этом точность измерений очень высока.
  • Пьезокварцевая пластина применяется в качестве резонатора в морском эхолоте для выявления объектов, расположенных в воде, исследования дна моря, определения нахождения отмелей и рифов. Это дает возможность изучения жизни в океане в глубоководных районах, а также создания точных карт морского дна.
  • Кварцевые резонаторы нашли широкую популярность в кварцевых часах, так как частота колебаний кварцевой пластины практически не зависит от температуры, и имеет малое относительное изменение частоты.

Кварцевые резонаторы расширяют свою сферу использования, потребность в них постоянно увеличивается, так как они обладают повышенными метрологическими параметрами, эффективностью работы.

Похожие темы:

Как подключить кварцевый резонатор

Чем стабильнее работает МК, тем лучше. Эта аксиома в первую очередь относится к тактовой частоте задающего генератора. Обеспечить её высокую стабильность могут кварцевые резонаторы, подключаемые к выводам ХТ1 (вход) и ХТ2 (выход) подсистемы синхронизации МК.

Немного истории. В 1880 г. французскими учёными братьями Пьером и Жаком Кюри было открыто новое физическое явление — пьезоэлектричество. В 1921 г. профессор Веслейского университета У. Кэди подключил кварцевую пластину к радиогенератору, что обеспечило заметную стабилизацию излучаемой частоты. Радиолюбители сразу же применили эту новинку в самодельных коротковолновых радиопередатчиках середины 1920-х годов.

К настоящему времени существование пьезоэлектрического эффекта обнаружено более чем у 1000 веществ. Вначале использовались кристаллы турмалина и сегнетовой соли. Позже стали применяться кристаллы природного кварца Si02 различной окраски: горный хрусталь (бесцветный), раухтопаз (дымчатый), морион (чёрный), цитрин (золотисто-жёлтый), аметист (сиреневый).

В 1950-х годах была успешно решена проблема выращивания монокристаллов искусственного кварца, который не только не уступает, но и по ряду показателей даже превосходит свой природный аналог.

Диапазон частот современных кварцевых резонаторов составляет от 32768 Гц до 300. 400 МГц. Среди них условно выделяют низкочастотные (до 1 МГц), сред-нечастотные (1. 30 МГц) и высокочастотные (свыше 30 МГц) резонаторы.

На Рис. 5.1 показана эквивалентная схема кварцевого резонатора. Элементы L1, С1, R1 относятся к ветви последовательного контура. Физически они не существуют, но являются аналогами механических характеристик: массы (L1), упругих свойств (С1), потерь энергии (R1). Последний параметр определяет добротность колебательной системы.

Рис. 5.2. Схемы пьезостабилизированных генераторов: а) генератор с параллельным резонансом; б) генератор с последовательным резонансом.

Статическая ёмкость кварцедержателя СО параллельно с элементами L1, С1, образует ещё один контур, параллельный. Итого на частотной оси размещаются две базовые точки — последовательного и параллельного резонансов. В первой точке кварцевый резонатор имеет минимальное сопротивление, во второй — максимальное, между ними он ведёт себя подобно высокодобротной индуктивности.

Существование двух «седловых» частот у кварцевых резонаторов позволяет разделить схемы их включения на два типа:

  • генераторы с параллельным резонансом или осцилляторные генераторы (Рис. 5.2, а), у которых условие баланса фаз обеспечивается индуктивной составляющей. Колебательная система, состоящая из индуктивности (схема замещения резонатора ZQ1) и последовательно соединённых конденсаторов С1, С2, на рабочей частоте подобна параллельному контуру (отсюда и название). Усилитель А1 должен изменять, точнее, инвертировать, фазу сигнала на нечётное число полупериодов: 180°, 540°, 900° и т.д.;
  • генераторы с последовательным резонансом или фильтровые генераторы (Рис. 5.2, б), в которых резонатор ZQ1 работает вблизи минимума своего сопротивления при малом сдвиге фазы между напряжением и током. Последовательный резонанс обеспечивает узкую полосу пропускания, в связи с чем отфильтровываются гармоники (отсюда и название). Усилитель A J должен изменять фазу сигнала на чётное число полупериодов: 360°, 720°, 1080° и т.д.

При покупке кварцевого резонатора (на сленге «кварца») следует проверить его внешний вид на «фирменность», а именно, убедиться в наличие легко читаемой и не стираемой пальцами лазерной маркировки с обозначением частоты, знака изготовителя, даты производства, рекомендуемой ёмкости нагрузки. Последний параметр важен, если требуется обеспечить устойчивость запуска строго на штатной частоте в условиях разброса питания и температуры окружающей среды.

Для бытовых схем с МК, как правило, применяют недорогие низко- и средне-частотные кварцевые резонаторы без претензий на высокую стабильность параметров и точность настройки. Основным является режим генерации с параллельным резонансом (Рис. 5.3, а. и). Ещё бывают схемы с электронной подстройкой частоты (Рис. 5.4, а. в), а также с несколькими резонаторами (Рис. 5.5, а. г).

Рис. 5.3. Схемы подключения кварцевых резонаторов к МК (начало):

а) необходимость в резисторах R1, R2 определяется экспериментально по устойчивости запуска МК во всём диапазоне рабочих температур и напряжений питания. Реально в схемах ставится один из двух резисторов или оба заменяются перемычками. Конденсаторы С1, С2 могут отсутствовать, что определяется указаниями из даташита для выводов ХТ1, ХТ2 или RTC1, RTC2;

б) отсутствие конденсаторов «обвязки» возле низкочастотного кварцевого резонатора ZQ1 является штатным режимом работы при условии, что конденсаторы находятся внутри МК и подключаются к выводам ХТ1, ХТ2 установкой определённых конфигурационных битов. Высокочастотные кварцевые резонаторы тоже могут подключаться к МК напрямую, но устойчивость запуска не гарантируется, надо проверять на практике;

в) цепочка СЗ, L1 шунтирует вывод ХТ2 на низких частотах, предотвращая запуск кварцевого резонатора ZQ1 на первой гармонике. Эта схема эффективна для кварцевых резонаторов, работающих на третьей и пятой механических гармониках. Элементы СЗ, L1 могут подключаться не только к выводу ХТ2, но и к выводу ХТ1;

г) кварцевый резонатор ZQ1 включается по стандартной схеме между выводами ХТ1 и ХТ2 МК. Конденсатор С1 подстраивает в небольших пределах частоту генерации. Рекомендуемые ёмкости конденсаторов указываются в даташитах, но реально они могут быть другими и не обязательно одинаковыми. Общий принцип — чем выше частота, тем меньше ёмкость. Один из двух параллельно включённых конденсаторов С1 и С2 может отсутствовать;

д) конденсатором СЗ подстраивают частоту генерации в небольших пределах. Резисторы R1, R2 облегчают условия автозапуска при крайних значениях температуры и напряжения питания. Резистор R2 может отсутствовать, а конденсатор СЗ и резистор R1 допускается заменить перемычками:

Рис. 5.3. Схемы подключения кварцевых резонаторов к МК (окончание):

е) резистор R1 по высокой частоте шунтирует вход ХТ1 генератора МК, что может улучшить условия самовозбуждения при низком напряжении питания;

ж) общая точка соединения конденсаторов С1, С2 подключается не к общему проводу, а к питанию. Это может понадобиться, например, если «плюс» питания соединяется с «массой», или таким путём удобнее делать разводку проводников на печатной плате;

з) запуск кварцевого резонатора ZQ1 на третьей гармонике (24 МГц). Требуется предварительное макетирование с подбором элементов L1, С1, R1

и) схема применяется, если один из выводов кварцевого резонатора ZQ1 обязательно должен иметь соединение с общим проводом. Требуется предварительное макетирование с подбором ёмкостей конденсаторов.

Рис. 5.4. Схемы с электронной подстройкой частоты кварцевого резонатора:

а) параллельно конденсатору СЗ подключается цепочка, состоящая из конденсатора С2 и двух варикапов VDI, VD2. Резистором RI изменяется напряжение на варикапах (их ёмкость), вследствие чего подстраивается в небольших пределах частота генерации;

б) транзистор VTJ используется как варикап с изменяемой ёмкостью. Частота генерации регулируется резистором R1. Вновь испечённый «транзисторный варикап» по высокой частоте подключается параллельно конденсатору СЗ с учётом последовательного конденсатора С2;

в) частота задающего кварцевого генератора МК модулируется управляющим напряжением с частотой /^од- Ёмкость высокочастотного варикапа VD1 изменяется в пределах от 20 до 40 пФ при напряжении модулирующего сигнала соответственно от +5 до +0.5 В.

Рис. 5.5. Схемы подключения нескольких кварцевых резонаторов к МК (начало):

а) переключение двух тактовых частот F1 (32768 Гц) и F2 (1 МГц) осуществляется по сигналу от МК. Когда электронный ключ микросхемы DA J разомкнут, то М К работает на частоте F1 когда замкнут — на частоте F2. Резистор R2 может отсутствовать. Вывод 7 микросхемы DA1 соединяется с общим проводом, а вывод 14 — с цепью +5 В. На время переключения частоты должна быть сделана программная пауза. Не лишним будет предусмотреть рестарт МК;

б) параллельное включение нескольких низкодобротных кварцевых резонаторов ZQl. ZQn расширяет диапазон регулирования частоты. Конденсатором С J можно плавно перестраивать тактовую частоту 20 МГц на 120 кГц при сохранении «кварцевой» стабильности генерации. Это очень хороший показатель для схем подобного класса. Резистор RI сопротивлением 4.7. 20 кОм уменьшает неравномерность амплитуды. Конденсатор СЗ и катушка L1 задают диапазон перекрытия по частоте. Кварцевые резонаторы должны быть одного типа и одной номинальной частоты. Оптимальное их количество подбирается экспериментально, обычно 4 или 5;

Рис. 5.5. Схемы подключения нескольких кварцевых резонаторов к МК (окончание):

в) движковый переключатель S1 коммутирует тактовый сигнал М К от кварцевого генератора G1 или от кварцевого резонатора ZQ1. После переключения необходимо произвести сброс МК;

г) смена частоты генерации осуществляется механическим переключателем SA У, который должен иметь малую переходную ёмкость между своими контактами (единицы пикофарад). После изменения частоты необходимо сделать начальный сброс МК.

Источник: Рюмик С.М. 1000 и одна микроконтроллерная схема.

Чем стабильнее работает МК, тем лучше. Эта аксиома в первую очередь относится к тактовой частоте задающего генератора. Обеспечить её высокую стабильность могут кварцевые резонаторы, подключаемые к выводам ХТ1 (вход) и ХТ2 (выход) подсистемы синхронизации МК.

Немного истории. В 1880 г. французскими учёными братьями Пьером и Жаком Кюри было открыто новое физическое явление — пьезоэлектричество. В 1921 г. профессор Веслейского университета У. Кэди подключил кварцевую пластину к радиогенератору, что обеспечило заметную стабилизацию излучаемой частоты. Радиолюбители сразу же применили эту новинку в самодельных коротковолновых радиопередатчиках середины 1920-х годов.

К настоящему времени существование пьезоэлектрического эффекта обнаружено более чем у 1000 веществ. Вначале использовались кристаллы турмалина и сегнетовой соли. Позже стали применяться кристаллы природного кварца Si02 различной окраски: горный хрусталь (бесцветный), раухтопаз (дымчатый), морион (чёрный), цитрин (золотисто-жёлтый), аметист (сиреневый).

В 1950-х годах была успешно решена проблема выращивания монокристаллов искусственного кварца, который не только не уступает, но и по ряду показателей даже превосходит свой природный аналог.

Диапазон частот современных кварцевых резонаторов составляет от 32768 Гц до 300. 400 МГц. Среди них условно выделяют низкочастотные (до 1 МГц), сред-нечастотные (1. 30 МГц) и высокочастотные (свыше 30 МГц) резонаторы.

На Рис. 5.1 показана эквивалентная схема кварцевого резонатора. Элементы L1, С1, R1 относятся к ветви последовательного контура. Физически они не существуют, но являются аналогами механических характеристик: массы (L1), упругих свойств (С1), потерь энергии (R1). Последний параметр определяет добротность колебательной системы.

Рис. 5.2. Схемы пьезостабилизированных генераторов: а) генератор с параллельным резонансом; б) генератор с последовательным резонансом.

Статическая ёмкость кварцедержателя СО параллельно с элементами L1, С1, образует ещё один контур, параллельный. Итого на частотной оси размещаются две базовые точки — последовательного и параллельного резонансов. В первой точке кварцевый резонатор имеет минимальное сопротивление, во второй — максимальное, между ними он ведёт себя подобно высокодобротной индуктивности.

Существование двух «седловых» частот у кварцевых резонаторов позволяет разделить схемы их включения на два типа:

  • генераторы с параллельным резонансом или осцилляторные генераторы (Рис. 5.2, а), у которых условие баланса фаз обеспечивается индуктивной составляющей. Колебательная система, состоящая из индуктивности (схема замещения резонатора ZQ1) и последовательно соединённых конденсаторов С1, С2, на рабочей частоте подобна параллельному контуру (отсюда и название). Усилитель А1 должен изменять, точнее, инвертировать, фазу сигнала на нечётное число полупериодов: 180°, 540°, 900° и т.д.;
  • генераторы с последовательным резонансом или фильтровые генераторы (Рис. 5.2, б), в которых резонатор ZQ1 работает вблизи минимума своего сопротивления при малом сдвиге фазы между напряжением и током. Последовательный резонанс обеспечивает узкую полосу пропускания, в связи с чем отфильтровываются гармоники (отсюда и название). Усилитель A J должен изменять фазу сигнала на чётное число полупериодов: 360°, 720°, 1080° и т.д.

При покупке кварцевого резонатора (на сленге «кварца») следует проверить его внешний вид на «фирменность», а именно, убедиться в наличие легко читаемой и не стираемой пальцами лазерной маркировки с обозначением частоты, знака изготовителя, даты производства, рекомендуемой ёмкости нагрузки. Последний параметр важен, если требуется обеспечить устойчивость запуска строго на штатной частоте в условиях разброса питания и температуры окружающей среды.

Для бытовых схем с МК, как правило, применяют недорогие низко- и средне-частотные кварцевые резонаторы без претензий на высокую стабильность параметров и точность настройки. Основным является режим генерации с параллельным резонансом (Рис. 5.3, а. и). Ещё бывают схемы с электронной подстройкой частоты (Рис. 5.4, а. в), а также с несколькими резонаторами (Рис. 5.5, а. г).

Рис. 5.3. Схемы подключения кварцевых резонаторов к МК (начало):

а) необходимость в резисторах R1, R2 определяется экспериментально по устойчивости запуска МК во всём диапазоне рабочих температур и напряжений питания. Реально в схемах ставится один из двух резисторов или оба заменяются перемычками. Конденсаторы С1, С2 могут отсутствовать, что определяется указаниями из даташита для выводов ХТ1, ХТ2 или RTC1, RTC2;

б) отсутствие конденсаторов «обвязки» возле низкочастотного кварцевого резонатора ZQ1 является штатным режимом работы при условии, что конденсаторы находятся внутри МК и подключаются к выводам ХТ1, ХТ2 установкой определённых конфигурационных битов. Высокочастотные кварцевые резонаторы тоже могут подключаться к МК напрямую, но устойчивость запуска не гарантируется, надо проверять на практике;

в) цепочка СЗ, L1 шунтирует вывод ХТ2 на низких частотах, предотвращая запуск кварцевого резонатора ZQ1 на первой гармонике. Эта схема эффективна для кварцевых резонаторов, работающих на третьей и пятой механических гармониках. Элементы СЗ, L1 могут подключаться не только к выводу ХТ2, но и к выводу ХТ1;

г) кварцевый резонатор ZQ1 включается по стандартной схеме между выводами ХТ1 и ХТ2 МК. Конденсатор С1 подстраивает в небольших пределах частоту генерации. Рекомендуемые ёмкости конденсаторов указываются в даташитах, но реально они могут быть другими и не обязательно одинаковыми. Общий принцип — чем выше частота, тем меньше ёмкость. Один из двух параллельно включённых конденсаторов С1 и С2 может отсутствовать;

д) конденсатором СЗ подстраивают частоту генерации в небольших пределах. Резисторы R1, R2 облегчают условия автозапуска при крайних значениях температуры и напряжения питания. Резистор R2 может отсутствовать, а конденсатор СЗ и резистор R1 допускается заменить перемычками:

Рис. 5.3. Схемы подключения кварцевых резонаторов к МК (окончание):

е) резистор R1 по высокой частоте шунтирует вход ХТ1 генератора МК, что может улучшить условия самовозбуждения при низком напряжении питания;

ж) общая точка соединения конденсаторов С1, С2 подключается не к общему проводу, а к питанию. Это может понадобиться, например, если «плюс» питания соединяется с «массой», или таким путём удобнее делать разводку проводников на печатной плате;

з) запуск кварцевого резонатора ZQ1 на третьей гармонике (24 МГц). Требуется предварительное макетирование с подбором элементов L1, С1, R1

и) схема применяется, если один из выводов кварцевого резонатора ZQ1 обязательно должен иметь соединение с общим проводом. Требуется предварительное макетирование с подбором ёмкостей конденсаторов.

Рис. 5.4. Схемы с электронной подстройкой частоты кварцевого резонатора:

а) параллельно конденсатору СЗ подключается цепочка, состоящая из конденсатора С2 и двух варикапов VDI, VD2.од- Ёмкость высокочастотного варикапа VD1 изменяется в пределах от 20 до 40 пФ при напряжении модулирующего сигнала соответственно от +5 до +0.5 В.

Рис. 5.5. Схемы подключения нескольких кварцевых резонаторов к МК (начало):

а) переключение двух тактовых частот F1 (32768 Гц) и F2 (1 МГц) осуществляется по сигналу от МК. Когда электронный ключ микросхемы DA J разомкнут, то М К работает на частоте F1 когда замкнут — на частоте F2. Резистор R2 может отсутствовать. Вывод 7 микросхемы DA1 соединяется с общим проводом, а вывод 14 — с цепью +5 В. На время переключения частоты должна быть сделана программная пауза. Не лишним будет предусмотреть рестарт МК;

б) параллельное включение нескольких низкодобротных кварцевых резонаторов ZQl. ZQn расширяет диапазон регулирования частоты. Конденсатором С J можно плавно перестраивать тактовую частоту 20 МГц на 120 кГц при сохранении «кварцевой» стабильности генерации. Это очень хороший показатель для схем подобного класса. Резистор RI сопротивлением 4.7. 20 кОм уменьшает неравномерность амплитуды. Конденсатор СЗ и катушка L1 задают диапазон перекрытия по частоте. Кварцевые резонаторы должны быть одного типа и одной номинальной частоты. Оптимальное их количество подбирается экспериментально, обычно 4 или 5;

Рис. 5.5. Схемы подключения нескольких кварцевых резонаторов к МК (окончание):

в) движковый переключатель S1 коммутирует тактовый сигнал М К от кварцевого генератора G1 или от кварцевого резонатора ZQ1. После переключения необходимо произвести сброс МК;

г) смена частоты генерации осуществляется механическим переключателем SA У, который должен иметь малую переходную ёмкость между своими контактами (единицы пикофарад). После изменения частоты необходимо сделать начальный сброс МК.

Источник: Рюмик С.М. 1000 и одна микроконтроллерная схема.

Что такое кварц

На самом деле, кварц – это один из самых распространенных минералов в земной коре. Его доля составляет около 60%! Если полупроводниковые радиокомпоненты в основном делают из кремния, то кварц также состоит из кремния но в связке с кислородом. Его формула SiO2.

Выглядит он примерно вот так:

Ну прямо сокровище какое-то!

Но сокровище спрятано не в самом кварце, а в том, каким свойством он обладает. И этот эффект кварца сделал революцию в прецизионной (точной) электронике…

Еще в 19 веке два брата Кюри обнаружили интересное свойство некоторых твердых кристаллов генерировать ЭДС , деформируя эти кристаллы.

Существует также и обратный эффект, то есть при подаче напряжения мы можем деформировать эти кристаллы. Невооруженным глазом это практически не заметно. Такой эффект называется пьезоэффектом, а вещества – пьезоэлектриками.

ЭДС возникает только в процессе сжатия или растяжения. Может быть вы подумали, прижать такой кристалл и всю жизнь получать из него энергию? Побрейтесь). Кстати, пьезоизлучатель тоже относится к пьезоэлектрикам и из него можно получить ЭДС. Ниже на видео светодиод, подпаянный к пьезоизлучателю. Когда мы давим на пьезоизлучатель, вырабатывается ЭДС, которая и зажигает маленький светодиод:

Не так давно смотрел фильм по National Geographic. Там целые пьезоэлектрические плиты устанавливали на дороге. По ним ходили люди и вырабатывали электрическую энергию, сами того не подозревая). Кстати, очень халявная, чистая и возобновляемая энергия))).

Ладно, что-то отвлекся… Так вот, кристаллы кварца тоже обладают пьезоэффектом и способны также вырабатывать ЭДС или деформироваться (изгибаться, изменять форму) под воздействием электрического тока.

Кварцевый резонатор

Резонатор – (от лат. resono – звучу в ответ, откликаюсь) – это система, которая способна совершать колебания с максимальной амплитудой, то есть резонировать, при воздействии внешней силы определенной частоты и формы. Получается, кварцевый резонатор в электронике, а в народе просто “кварц”, – это радиоэлемент, который способен резонировать, если на него подать переменный ток определенной частоты и формы.

Кварцевые резонаторы выглядят в основном вот так:

Разобрав кварцевый резонатор, можно увидеть воочию сам кристалл кварца. Давайте вскроем кварц советского производства вот в таком корпусе:

Итак, что мы тут видим? Прозрачный кристалл кварца, размещенный между двумя металлическими пластинками, к которым подпаяны выводы самого кварца.

В маленьких кварцах типа этих

используются тонкие прямоугольные пластинки кварца. Здесь правило такое: чем больше толщина пластинки, тем ниже рабочая частота кварца. Поэтому, самые высокие частоты, на которые делают кварцы, составляет не более 50 Мегагерц, так как пластинка получается очень тонкая, что создает трудности при ее изготовлении. Да и держать ее как-то надо в корпусе, не поломав. По идее, можно выжать из кварца частоту и до 200 Мегагерц, но работать такой кварц будет на обертоне.

Что такое обертоны

Обертоны, или как еще их называют, моды или гармоники – это кратные частоты, выше основной частоты кварца. С помощью фильтров гасят основную частоту кварца и выделяют обертон. В кварцевом резонаторе в режиме обертонов используют нечетные обертоны. Если основная частота кварца F – это первый обертон, то его рабочие обертоны будут как 3F, 5F, 7F, 9F. Стоит также отметить, что амплитуда обертона убывает с ростом его частоты, поэтому далее 9 обертона смысла брать уже нет, так как выделять амплитуду маленького сигнала очень трудно.

Пример: возьмем кварц с частотой в 10 Мегагерц. Тогда мы можем возбудить его на обертонах в 30 Мегагерц (третий обертон), в 50 Мегагерц (пятый обертон), в 70 Мегагерц (седьмой обертон) и максимум в 90 Мегагерц (девятый обертон).

Чтобы хоть как-то понять, что такое обертоны, для примера послушайте основную частоту 110 Герц и ее обертоны.

Схема, которая возбуждает кварц на обертонах, сложная и не очень надежная, так как во-первых, надо “давить” главную частоту кварца и выделять обертон, а во-вторых, кварц может возбудиться в режиме случайных колебаний. На практике все-таки делают схемы с умножением главной частоты кварца, что намного проще и надежнее.

Обозначение кварца на схеме

Кварц является диэлектриком. А что будет если тонкий диэлектрик разместить между двумя металлическими пластинами? Получится конденсатор! Конденсатор получается очень маленькой емкости, так что замерить его емкость вряд ли получится. Зато не стали мудрить со схемотехническим обозначением кварца, и на схемах его показывают как прямоугольный кусочек кристалла, заключенный между двумя пластинками конденсатора:

Принцип работы кварца

Очень много мифов ходит по интернету именно о кварцевом резонаторе. Самый популярный миф гласит так: если подать постоянное напряжение на кварцевый резонатор, он будет выдавать переменное напряжение с частотой, которая на нем указана. Насчет “частоты, указанной на нем”, я, может быть, соглашусь, но насчет постоянного напряжения – увы. Кристалл кварца просто сожмется или разожмется). Некоторые вообще до сих пор думают, что кварц сам по себе выдает переменный ток ) Ага).

Для того, чтобы понять принцип работы кварцевого резонатора, надо рассмотреть его эквивалентную схему:

С – это собственно емкость между обкладками конденсатора. То есть если убрать кристалл кварца, то останутся две пластины и их выводы. Именно они и обладают этой емкостью.

С1 – это динамическая емкость самого кристалла. Динамическая – это значит проявляется при работе кварца. Ее значение несколько фемтоФарад. Фемто – это 10 -15 !

L1 – это динамическая индуктивность кристалла. Она может достигать несколько тысяч Генри!

R1 – динамическое сопротивление, при работе кварца может достигать от нескольких Ом и до нескольких КилоОм

Можно заметить, что С1, L1 и R1 образуют последовательный колебательный контур, который обладает своей резонансной частотой.

Принцип работы кварцевого резонатора такой: если к обкладкам кварцевого резонатора подвести переменное напряжение, то его пластинка начнет колебаться с частотой подведенного напряжения. Если подведенная частота будет совпадать с собственной резонансной частотой колебания кварца, то наступит резонанс. Напряжение на обкладка кварца резко возрастает. В этом случае кварцевый резонатор ведет себя, как настроенный на определенную частоту колебательный контур с очень высокой добротностью.

Каждый кварц имеет разные частоты последовательного и параллельного резонанса. Если мы видим на кварце вот такую надпись

это говорит нам о том, что на частоте последовательного резонанса мы можем возбудить этот кварц на частоте 8 Мегагерц. В основном кварц работает на частоте последовательного резонанса. Здесь также есть еще одно правило: если частота маркируется в целых числах в Килогерцах – это работа на основной гармонике, а если в Мегагерцах через запятую – это обертонная гармоника. Например: РГ-05-18000кГц – резонатор для работы на основной частоте, а РГ-05-27,465МГц – для работы на 3-ем обертоне.

И запомните раз и навсегда:

Также рекомендую к прочтению продолжение статьи, которая называется кварцевый генератор.

Статьи

По имени кварц

Что такое кварцевый генератор, как его можно изобразить схематически, каковы его слабые и сильные стороны? Господство кварцевых часов на рынке заставляет нас забывать об этих элементарных, но чрезвычайно важных вопросах.

Туманная личность

Сегодня узнать время нам помогают сотни самых разных приборов. Но как бы ни назывался такой прибор, какую бы фор­му и размеры он ни имел, с вероятностью 90% можно утверждать, что внутри него работает кварцевый генератор. Причин то­го, что кварцевые генераторы завоевали мир, несколько:
—    кристалл кварца дешев в произ­водстве;
—    кварцевый генератор по своей экви­валентной схеме является обычным радио­техническим устройством и может быть легко внедрен в любую радиосхему;
—    свойства кварца максимально ста­бильны во времени и достаточно стабиль­ны в обычных для человека условиях. Несмотря на господство кварцевых ча­сов на рынке, большинство людей, имею­щих отношение к часовому делу, даже при­близительно не представляют себе, что та­кое кварц. В лучшем случае, мастера-ре­монтники могут опознать его непосредст­венно в часах. Так что рассказ о нем, на наш взгляд, будет совсем не лишним.

Природа колебания

Работа кварцевого генератора основа­на на пьезоэлектрическом эффекте. В фи­зике так называется эффект возникнове­ния разности потенциалов (напряжения) на противоположных сторонах какого-либо кристалла при приложении к нему механи­ческого воздействия. Помимо прямого су­ществует и обратный пьезоэффект, когда под воздействием напряжения происходит механическая деформация кристалла.

Обычно масштаб пьезоэффекта неве­лик и составляет мизерные доли процента. Тем не менее пьезоэффект широко приме­няется в технике. На нем основана работа многих устройств — от очень сложных до таких привычных, как проигрыватель грам­пластинок. Одним из минералов, обладающих ярко выраженным пьезоэлектрическим эффек­том, является кварц. Если к кристаллу квар­ца приложить электрическое напряжение, то под воздействием обратного пьезоэлек­трического эффекта он деформируется. Если затем напряжение убрать, то в крис­талле возникнут колебания — электричес­кая энергия будет преобразовываться в ме­ханическую и обратно. Это чем-то похоже на колебания маятника, когда кинетичес­кая энергия движущегося маятника позво­ляет ему подняться относительно нижней точки и превращается в потенциальную, а затем происходит обратное превращение.


Так как при деформации кристалла часть энергии выделяется в виде тепла, ко­лебания постепенно затухнут. Скорость за­тухания колебаний определяется тем, на­сколько кристаллическая решетка кварца близка к идеальной. Каждый кристалл имеет собственную частоту колебаний, или резонансную час­тоту, которая зависит от его формы и физи­ческих размеров. Подбирая форму и раз­меры кристалла, можно получить любую заданную резонансную частоту. Кристалл кварца, «упакованный» в ме­таллический корпус с выведенными наружу контактами, называют кварцевым резона­тором. Именно этот «бочонок» мы и видим внутри часов. Кварцевый резонатор являет­ся основой генератора, вырабатывающего колебания постоянной частоты. Основыва­ясь на этих колебаниях, электронная схема посылает импульсы на шаговый двигатель, который через систему колес вращает стрелки часов.

В принципе, кварцевый резонатор мо­жет быть заменен обычным колебательным контуром. Однако кварц занимает гораздо меньше места и имеет более выраженный пик резонансной частоты. К тому же темпе­ратурная и временная стабильность индук­тивно-емкостной цепочки на 3—4 порядка хуже, чем у кварца.

Подкорректируем

Резонансная частота кристалла кварца является величиной постоянной. Но итого­вая частота, вырабатываемая кварцевым генератором, в небольших пределах может быть отрегулирована. Все способы коррек­тировки частоты генератора основаны на наличии дополнительных устройств, под­ключенных к выводам резонатора. В про­стейшем случае для калибровки использу­ются постоянные или переменные конден­саторы (емкости), включаемые в схему раз­личными способами.

В первом случае в схеме часов есть не­который набор емкостей, которые могут быть подключены с помощью так называе­мой решетки. Замыкая между собой с по­мощью припоя или распаивая соседние гребенки, мы можем подключить одну или несколько емкостей. Таким образом мы ва­рьируем шунтирующую емкость и влияем на частоту системы КВАРЦ + ШУНТ, кото­рая и является частотой генератора.

Во втором варианте в схему встроен конденсатор переменной емкости — трим­мер. Его емкость можно изменять, вращая подстроечный винт обычной керамической отверткой. Это позволяет настроить часы до точности +/— 0,01 секунда/день. Но триммер удорожает механизм часов, к то­му же, как и любая дополнительная деталь, он не добавляет надежности. Вопрос корректировки частоты кварце­вого генератора был актуален на заре квар­цевой эры. Тогда еще не удавалось обеспе­чить должную точность изготовления крис­таллов кварца, и триммеры с гребенками были необходимы для подстройки частоты генератора в часах. В настоящее время проблемы с обеспечением точности резо­наторов решены, и большинство произво­дителей отказались от использования триммеров. Соответственно, если меха­низм не имеет гребенки и триммера, то ма­стер лишен какой-либо возможности регу­лировать точность часов.

О влияниях…

Мы уже говорили, что резонансная час­тота кварцевого резонатора определяется его физическими характеристиками и фик­сируется при изготовлении кристалла. Од­нако в процессе эксплуатации она может несколько меняться. Больше всего на нее влияют температура и время. Соответствен­но, двумя важнейшими характеристиками кварцевого генератора являются темпера­турная и временная стабильность частоты. Именно от них зависит точность хода квар­цевых часов.

Величины этих двух важнейших харак­теристик выражаются в миллионных долях (10~6 или ррт). Отклонение в 1 ррт на язы­ке часов дает отклонение точности в 0,388 секунд в месяц. Стандартной точности в +/— 20 секунд в месяц будет соответство­вать отклонение частоты в 51,5 ррт. Вре­менное отклонение в свойствах всегда при­водится для первого года службы (почему — мы расскажем чуть позже).

В зависимости от производителя и це­ны, кварцевые резонаторы обычных се­рийных часов в диапазоне температур —10/+60 градусов имеют отклонение в пределах от +/—30 ррт до +/—50 ррт. Временное отклонение для кварцевых ге­нераторов обычно составляет от +/—2 до +/—7 ppm/год. У специальных резонато­ров, используемых в швейцарских прибо­рах измерения точности хода часов, эти ха­рактеристики на порядок выше.

… и борьбе с ними

С фактором «старения» кварца, к сожа­лению, ничего поделать нельзя: с течением времени резонансная частота кристалла постепенно «уходит» от первоначальной. К счастью, это отклонение не столь значи­тельно и в наибольшей степени проявляет­ся в первые год-полтора после начала ис­пользования резонатора. Поэтому все фир­мы, производящие калибровочное обору­дование для часов, используют в нем искус­ственно состаренные кристаллы. Два года их «гоняют» на специальном стенде, после чего отбирают те, свойства которых оста­лись в пределах нормы. Это позволяет практически исключить временной фактор или снизить его влияние в несколько раз, до уровня менее +/— 1 ppm/год. Другими словами, за год ошибка составит не более 0,388 секунды в месяц, что для часов не страшно.

В отличие от временного фактора, спра­виться с влиянием температуры вполне ре­ально. Для этого используют два основных приема. Первый — термостабилизация, когда за счет различных ухищрений пыта­ются обеспечить кристаллу постоянный температурный режим. Второй — термо­компенсация, когда в часы встраивают спе­циальные электронные схемы, компенси­рующие погрешность, возникающую при изменении температуры.

Термостабилизацию активно использу­ют, например, в приборах проверки точно­сти хода часов. В них резонаторы изолиру­ют от внешней среды и оснащают системой поддержания постоянной температуры или, попросту, обогревом. Такие приборы выходят на рабочий режим через несколь­ко минут после включения — кварц необ­ходимо нагреть до нужной температуры. Этот способ весьма надежен, и единствен­ным его недостатком в стационарных усло­виях является время выхода прибора «на режим». Однако данный вариант не пригоден для использования в компактных и авто­номных устройствах, например в наручных часах: термоизолятор и нагреватель зани­мают достаточно много места, к тому же для работы нагревателя требуется дополнительная энергия. Там используют другой прием — термокомпенсацию.

Термический эффект в той или иной сте­пени проявляется у любых радиодеталей, однако у целой группы материалов эти свойства выражены активнее. На их основе обычно разрабатывают схемы измерения температуры, термокомпенсации и т.п. На­пример, наслаждаться показаниями термо­метра в будильниках WENDOX мы можем благодаря специальному терморезистору, сопротивление которого сильно меняется при изменении температуры. Сейчас все большее количество произ­водителей выпускают механизмы со схема­ми термокомпенсации. В них к резонатору добавляется специальная шунтирующая схема, имеющая тот же самый по значению и обратный по знаку термический эффект. Она работает как бы в противовес термиче­ским свойствам резонатора. Благодаря этому удается уменьшить температурное отклонение частоты в несколько раз, а ино­гда и на порядок. Именно схемы термоком­пенсации позволяют часам GrandSeiko, BreitlingSuperQuartz демонстрировать точ­ность на уровне 5—7 секунд в год.

В заключении рассказа о компенсации термоэффектов хочется сказать, что тер-мостатирование обеспечивает гораздо большую стабильность частоты, чем термо­компенсация, и именно поэтому оно всегда останется актуальным. К сожалению, размер статьи позволил рассказать только самое главное об основе кварцевых часов — о резонаторе. За рам­ками обзора осталось очень много инте­ресного: история кварцевых часов, зависи­мость частоты кристалла от формы и т.п. Вот такая это непростая штука — кварц…

Портал профессионалов часового бизнеса TimeSeller.ru
При перепечатке активная ссылка обязательна

Теги: 1-2005 Технологии и материалы

Кварцевые генераторы: схема, принцип работы, резонатор

Основу кварцевых генераторов составляют кварцевые резонаторы.

 Кварцевый резонатор

— это пластинка кварца, закрепленная определенным образом в кварцедержателе и представляющая собой электромеханическую колебательную систему. Эти резонаторы относятся к пьезоэлектрическим элементам, принцип действия которых основан на использовании прямого и обратного пьезоэффекта.

 

Прямой пьезоэффект

Состоит в том, что механическая нагрузка на материал элемента вызывает появление электрического напряжения между соответствующими поверхностями элемента.

 Обратный пьезоэффект

Васильев Дмитрий Петрович

Профессор электротехники СПбГПУ

Задать вопрос

Состоит в том, что электрическое напряжение между соответствующими поверхностями элемента, создаваемое с помощью внешнего источника напряжения, вызывает появление механических напряжений, которые могут изменять форму и размеры элемента.

Кварцевые резонаторы изготавливают из природного и искусственного монокристаллического кварца. Из заготовки вырезают пластины, грани которых определенным образом ориентированы относительно кристаллографических осей монокристалла. В рабочем режиме на обкладках пластины имеется переменное напряжение, и имеют место механические колебания пластины. Используются колебания сжатия-растяжения, изгиба, кручения и другие.

При анализе схемы с кварцевым резонатором (рис. 2.69, а) его удобно заменять эквивалентной схемой, представленной на рис 2.69, б.

Необходимо отметить, что именно эта эквивалентная схема кварцевого резонатора используется в пакете программ «PSpice» для моделирования электронных схем. В эквивалентной схеме могут иметь место и параллельный, и последовательный резонанс. На практике используют оба вида резонанса.

На частоте последовательного резонанса ωk= 1/(Lk·Ck)1/2резонатор имеет минимальное сопротивление Rk.Частота параллельного резонанса ω0 ≈ 1/ [ Lk · Ck· C0 / ( Ck+ C0 ) ]1/2.

В диапазоне частот между ωk и ω0 резонатор ведет себя как некоторая индуктивность.

Кварцевые резонаторы характеризуются высокой стабильностью и добротностью (Qk= 104 − 105). Использование кварцевых резонаторов позволяет снизить относительное изменение частоты генераторов до очень малых значений (10−6 − 10−9).

Приведем для примера упрощенную схему кварцевого генератора на основе операционного усилителя при использовании последовательного резонанса (рис. 2.70).

На частоте последовательного резонанса в схеме имеет место сильная положительная обратная связь, что и поддерживает автоколебания.

Как работают кварцевые часы

Наручные механические часы появились несколько столетий назад. Часовых дел мастерам удалось добиться точности хода часов, при которой отклонение за сутки не превышает 5 секунд. Однако такие часы весьма сложны и дороги. Альтернативой стали часы кварцевые. При меньшей стоимости отклонение их обычно не более нескольких секунд в месяц.

Основными элементами кварцевых часов являются:

  • электронный блок. Он один раз в секунду посылает электрический импульс.

  • шаговый электродвигатель. По сигналу с электронного блока двигатель поворачивает стрелки.

Электронный блок кварцевых часов
Название часы получили от лежащего в основе электронного блока кристалла кварца. Он обеспечивает высокую стабильность частоты вырабатываемых импульсов. Благодаря этой стабильности и обеспечивается высокая точность хода. Кристалл кварца обладает уникальными свойствами: при сжатии он порождает электрический импульс, а при воздействии электрического тока кварц сжимается. Таким образом, кристалл можно заставить сжиматься-разжиматься, т.е. колебаться, под воздействием электрического тока. Подбором размеров кристалла добиваются частоты резонанса 32768 герц. Электронный блок кварцевых часов состоит из генератора, вырабатывающего электрические колебания и кварцевого кристалла, на резонансной частоте которого стабилизируются колебания генератора. В результате сигналы генератора отличаются повышенной стабильностью. Электронная схема (миникомпьютер) подсчитывает сигналы генератора и обеспечивает поворот стрелок, либо вывод информации на дисплей. Иногда стрелки и цифровая индикация совмещаются.

кварц на мат. плате ПК


кварц в часах с электронной индикацией

Для преобразования сигнала с генератора, который выдает импульсы со скоростью 32768 электрических колебаний в секунду в движение стрелок используется система шестеренок и зубчатых колес. Но ни одно механическое устройство не сможет работать с такой частотой, поэтому изначально импульсы генератора проходят через делитель — электронное устройство, суммирующее количество входящих импульсов и выдающее сигналы один раз в секунду. Эти импульсы подаются на обмотку шагового электродвигателя.

Механическая часть
Получая один раз в секунду электрический импульс с электронного блока, механическая часть отрабатывает его поворотом стрелок. Для этого используется хитроумная система зубчатых колес.

Механизм для движения стрелок:

1. Источник питания (как правило батарейка 1.5В)
2. Шаговый двигатель. При поступлении сигнала с делителя ротор проворачивает зубчатое колесо на половину оборота.
3. Передаточное колесо
4. Секундное колесо
5. Центральное колесо
6. Часовое колесо

Механизм для перевода стрелок:

7. Рычаг кулачковой муфты
8. Переводной рычаг
9. Переводная головка
10. Переводной вал
11. Кулачковая муфта
12. Тормозной рычаг
13. Минутное колесо
14. Промежуточное колесо

Колесный механизм у кварцевых часов весьма долговечен. В отличие от механических часов, где все элементы действуют под постоянной нагрузкой скрученной заводной пружины, в кварцевых часах существенная нагрузка возникает только в момент поворота шагового двигателя. Именно поэтому отпал вопрос о количестве \»камней\» (особо твердых элементов механических часов) в часах. Их необходимость отпала сама собой. При этом, теоретически, хорошие кварцевые часы по долголетию не должны уступать механическим. В то же время стоимость кварцевых часов гораздо меньше при большей точности. Благодаря этим фактам кварцевые часы завоевывают все большую долю рынку наручных часов.

Такой же электронный блокна основе задающего кварца, как и в часах, используется во всех современных электронных устройствах, имеющих функцию фиксации времени: мобильных телефонах, компьютерах, системах навигации, пульсомерах и частотомерах.

Двести лет назад часы передавали по наследству из-за их высокой стоимости. Обладание часами являлось, скорее, способом подчеркнуть статус и материальный достаток владельца. Сейчас часы доступны практически каждому. Кварцевые часы не капризны, просты в эксплуатации и, кроме отображения времени, как правило, включают в себя набор дополнительных функций — секундомер, таймер, отображение даты, будильник.

www.howitworks.iknowit.ru


Как проверить часовой кварц

Колебаниям уделяется одна из самых важных ролей в современном мире. Так, даже существует так называемая теория струн, которая утверждает, что всё вокруг нас – это просто волны. Но есть и другие варианты использования данных знаний, и одна из них – это кварцевый резонатор. Так уж бывает, что любая техника периодически выходит из строя, и они тут не исключение. Как убедиться, что после негативного инцидента она всё ещё работает как надо?

О кварцевом резонаторе замолвим слово

Кварцевым резонатором называют аналог колебательного контура, базирующегося на индуктивности и ёмкости. Но между ними есть разница в пользу первого. Как известно, для характеристики колебательного контура используют понятие добротности. В резонаторе на основе кварцев она достигает очень высоких значений – в границах 10 5 –10 7 . К тому же он более эффективен для всей схемы при изменении температуры, что сказывается на большем сроке службы таких деталей, как конденсаторы. Обозначение кварцевых резонаторов на схеме осуществляется в виде вертикально расположенного прямоугольника, который с обеих сторон «зажат» пластинами. Внешне на чертежах они напоминают гибрид конденсатора и резистора.

Как работает кварцевый резонатор?

Из кристалла кварца вырезается пластинка, кольцо или брусок. На него наносится как минимум два электрода, которые являются проводящими полосками. Пластинка закрепляется и имеет свою собственную резонансную частоту механических колебаний. Когда на электроды подаётся напряжения, то из-за пьезоэлектрического эффекта происходит сжатие, сдвиг или изгибание (зависимо от того, как вырезался кварц). Колеблющийся кристалл в таких случаях делает работу подобно катушке индуктивности. Если частота напряжения, что подаётся, равна или очень близка к собственным значениям, то требуется меньшее количество энергии при значительных отличиях для поддержания функционирования. Теперь можно переходить к освещению главной проблемы, из-за чего, собственно, и пишется эта статья про кварцевый резонатор. Как проверить его работоспособность? Было отобрано 3 способа, о которых и будет рассказано.

Способ № 1

Здесь транзистор КТ368 играет роль генератора. Его частота определяется кварцевым резонатором. Когда поступает питание, то генератор начинает работать. Он создаёт импульсы, которые равны частоте его основного резонанса. Их последовательность проходит через конденсатор, который обозначен как С3 (100р). Он фильтрует постоянную составляющую, а затем сам импульс передаёт на аналоговый частотомер, который построен на двух диодах Д9Б и таких пассивных элементах: конденсаторе С4 (1n), резисторе R3 (100к) и микроамперметре. Все остальные элементы служат для стабильности работы схемы и чтобы ничего не перегорело. Зависимо от установленной частоты может меняться напряжение, которое есть на конденсаторе С4. Это довольно приблизительный способ и его преимущество – легкость. И, соответственно, чем выше напряжение, тем большая частота резонатора. Но существуют определённые ограничения: пробовать её на данной схеме следует только в тех случаях, если она находится в приблизительных рамках от трех до десяти МГц. Проверка кварцевых резонаторов, что выходит за грань этих значений, обычно не подпадает под любительскую радиоэлектронику, но далее будет рассмотрен чертеж, у которого диапазон — 1-10 МГц.

Способ № 2

Для увеличения точности можно к выходу генератора подключить частотомер или осциллограф. Тогда можно будет рассчитать искомый показатель, используя фигуры Лиссажу. Но имейте в виду, что в таких случаях кварц возбуждается, причем как на гармониках, так и на основной частоте, что, в свою очередь, может дать значительное отклонение. Посмотрите на приведённые схемы (эту и предыдущую). Как видите, существуют разные способы искать частоту, и тут придётся экспериментировать. Главное – соблюдайте технику безопасности.

Проверка сразу двух кварцевых резонаторов

Данная схема позволит определить, работоспособны ли два кварцевых резистора, которые функционируют в рамках от одного до десяти МГц. Также благодаря ей можно узнать сигналы толчков, которые идут между частотами. Поэтому вы сможете не только определить работоспособность, но и подобрать кварцевые резисторы, которые наиболее подходят друг другу по своим показателям. Схема реализована с двумя задающими генераторами. Первый из них работает с кварцевым резонатором ZQ1 и реализован на транзисторе КТ315Б. Чтобы проверить работоспособность, напряжение на выходе должно быть больше 1,2 В, и следует нажать на кнопку SB1. Указанный показатель соответствует сигналу высокого уровня и логической единице. Зависимо от кварцевого резонатора может быть увеличено необходимое значение для проверки (можно напряжение каждую проверку повышать на 0,1А-0,2В к рекомендованному в официальной инструкции по использованию механизма). При этом выход DD1.2 будет иметь 1, а DD1.3 — 0. Также, сообщая о работе кварцевого генератора, будет гореть светодиод HL1. Второй механизм работает аналогично, и о нём будет сообщать HL2. Если их запустить одновременно, то ещё будет гореть светодиод HL4.

Когда сравниваются частоты двух генераторов, то их выходные сигналы с DD1.2 и DD1.5 направляются на DD2.1 DD2.2. На выходах вторых инверторов схема получает сигнал с широтно-импульсной модуляцией, чтобы затем сравнить показатели. Увидеть визуально это можно с помощью мигания светодиода HL4. Для улучшения точности добавляют частотомер или осциллограф. Если реальные показатели отличаются на килогерцы, то для определения более высокочастотного кварца нажмите на кнопку SB2. Тогда первый резонатор уменьшит свои значения, и тон биений световых сигналов будет меньше. Тогда можно уверенно сказать, что ZQ1 более высокочастотный, нежели ZQ2.

При проверке всегда:

  1. Прочитайте инструкцию, которую имеет кварцевый резонатор;
  2. Придерживайтесь техники безопасности.

Возможные причины выхода из строя

Существует довольно много способов вывести свой кварцевый резонатор из строя. С некоторыми самыми популярными стоит ознакомиться, чтобы в будущем избежать каких-то проблем:

  1. Падения с высоты. Самая популярная причина. Помните: всегда необходимо содержать рабочее место в полном порядке и следить за своими действиями.
  2. Присутствие постоянного напряжения. В целом кварцевые резонаторы не боятся его. Но прецеденты были. Для проверки работоспособности включите последовательно конденсатор на 1000 мФ – этот шаг возвратит его в строй или позволит избежать негативных последствий.
  3. Слишком большая амплитуда сигнала. Решить данную проблему можно разными способами:
  • Увести частоту генерации немного в сторону, чтобы она отличалась от основного показателя механического резонанса кварца. Это более сложный вариант.
  • Понизить количество Вольт, что питают сам генератор. Это более лёгкий вариант.
  • Проверить, вышел ли кварцевый резонатор действительно из строя. Так, причиной падения активности может быть флюс или посторонние частицы (необходимо в таком случае его качественно очистить). Также может быть, что слишком активно эксплуатировалась изоляция, и она потеряла свои свойства. Для контрольной проверки по этому пункту можно на КТ315 спаять «трехточку» и проверить осцом (одновременно можно сравнить активность).

Заключение

В статье было рассмотрено, как проверить работоспособность таких элементов электрических схем, как частота кварцевого резонатора, а также их свойство. Были обговорены способы установления необходимой информации, а также возможные причины, почему они выходят из строя во время эксплуатации. Но для избегания негативных последствий всегда трудитесь с ясной головой — и тогда работа кварцевого резонатора будет меньше беспокоить.

Колебаниям уделяется одна из самых важных ролей в современном мире. Так, даже существует так называемая теория струн, которая утверждает, что всё вокруг нас – это просто волны. Но есть и другие варианты использования данных знаний, и одна из них – это кварцевый резонатор. Так уж бывает, что любая техника периодически выходит из строя, и они тут не исключение. Как убедиться, что после негативного инцидента она всё ещё работает как надо?

О кварцевом резонаторе замолвим слово

Кварцевым резонатором называют аналог колебательного контура, базирующегося на индуктивности и ёмкости. Но между ними есть разница в пользу первого. Как известно, для характеристики колебательного контура используют понятие добротности. В резонаторе на основе кварцев она достигает очень высоких значений – в границах 10 5 –10 7 . К тому же он более эффективен для всей схемы при изменении температуры, что сказывается на большем сроке службы таких деталей, как конденсаторы. Обозначение кварцевых резонаторов на схеме осуществляется в виде вертикально расположенного прямоугольника, который с обеих сторон «зажат» пластинами. Внешне на чертежах они напоминают гибрид конденсатора и резистора.

Как работает кварцевый резонатор?

Из кристалла кварца вырезается пластинка, кольцо или брусок. На него наносится как минимум два электрода, которые являются проводящими полосками. Пластинка закрепляется и имеет свою собственную резонансную частоту механических колебаний. Когда на электроды подаётся напряжения, то из-за пьезоэлектрического эффекта происходит сжатие, сдвиг или изгибание (зависимо от того, как вырезался кварц). Колеблющийся кристалл в таких случаях делает работу подобно катушке индуктивности. Если частота напряжения, что подаётся, равна или очень близка к собственным значениям, то требуется меньшее количество энергии при значительных отличиях для поддержания функционирования. Теперь можно переходить к освещению главной проблемы, из-за чего, собственно, и пишется эта статья про кварцевый резонатор. Как проверить его работоспособность? Было отобрано 3 способа, о которых и будет рассказано.

Способ № 1

Здесь транзистор КТ368 играет роль генератора. Его частота определяется кварцевым резонатором. Когда поступает питание, то генератор начинает работать. Он создаёт импульсы, которые равны частоте его основного резонанса. Их последовательность проходит через конденсатор, который обозначен как С3 (100р). Он фильтрует постоянную составляющую, а затем сам импульс передаёт на аналоговый частотомер, который построен на двух диодах Д9Б и таких пассивных элементах: конденсаторе С4 (1n), резисторе R3 (100к) и микроамперметре. Все остальные элементы служат для стабильности работы схемы и чтобы ничего не перегорело. Зависимо от установленной частоты может меняться напряжение, которое есть на конденсаторе С4. Это довольно приблизительный способ и его преимущество – легкость. И, соответственно, чем выше напряжение, тем большая частота резонатора. Но существуют определённые ограничения: пробовать её на данной схеме следует только в тех случаях, если она находится в приблизительных рамках от трех до десяти МГц. Проверка кварцевых резонаторов, что выходит за грань этих значений, обычно не подпадает под любительскую радиоэлектронику, но далее будет рассмотрен чертеж, у которого диапазон — 1-10 МГц.

Способ № 2

Для увеличения точности можно к выходу генератора подключить частотомер или осциллограф. Тогда можно будет рассчитать искомый показатель, используя фигуры Лиссажу. Но имейте в виду, что в таких случаях кварц возбуждается, причем как на гармониках, так и на основной частоте, что, в свою очередь, может дать значительное отклонение. Посмотрите на приведённые схемы (эту и предыдущую). Как видите, существуют разные способы искать частоту, и тут придётся экспериментировать. Главное – соблюдайте технику безопасности.

Проверка сразу двух кварцевых резонаторов

Данная схема позволит определить, работоспособны ли два кварцевых резистора, которые функционируют в рамках от одного до десяти МГц. Также благодаря ей можно узнать сигналы толчков, которые идут между частотами. Поэтому вы сможете не только определить работоспособность, но и подобрать кварцевые резисторы, которые наиболее подходят друг другу по своим показателям. Схема реализована с двумя задающими генераторами. Первый из них работает с кварцевым резонатором ZQ1 и реализован на транзисторе КТ315Б. Чтобы проверить работоспособность, напряжение на выходе должно быть больше 1,2 В, и следует нажать на кнопку SB1. Указанный показатель соответствует сигналу высокого уровня и логической единице. Зависимо от кварцевого резонатора может быть увеличено необходимое значение для проверки (можно напряжение каждую проверку повышать на 0,1А-0,2В к рекомендованному в официальной инструкции по использованию механизма). При этом выход DD1.2 будет иметь 1, а DD1.3 — 0. Также, сообщая о работе кварцевого генератора, будет гореть светодиод HL1. Второй механизм работает аналогично, и о нём будет сообщать HL2. Если их запустить одновременно, то ещё будет гореть светодиод HL4.

Когда сравниваются частоты двух генераторов, то их выходные сигналы с DD1.2 и DD1.5 направляются на DD2.1 DD2.2. На выходах вторых инверторов схема получает сигнал с широтно-импульсной модуляцией, чтобы затем сравнить показатели. Увидеть визуально это можно с помощью мигания светодиода HL4. Для улучшения точности добавляют частотомер или осциллограф. Если реальные показатели отличаются на килогерцы, то для определения более высокочастотного кварца нажмите на кнопку SB2. Тогда первый резонатор уменьшит свои значения, и тон биений световых сигналов будет меньше. Тогда можно уверенно сказать, что ZQ1 более высокочастотный, нежели ZQ2.

При проверке всегда:

  1. Прочитайте инструкцию, которую имеет кварцевый резонатор;
  2. Придерживайтесь техники безопасности.

Возможные причины выхода из строя

Существует довольно много способов вывести свой кварцевый резонатор из строя. С некоторыми самыми популярными стоит ознакомиться, чтобы в будущем избежать каких-то проблем:

  1. Падения с высоты. Самая популярная причина. Помните: всегда необходимо содержать рабочее место в полном порядке и следить за своими действиями.
  2. Присутствие постоянного напряжения. В целом кварцевые резонаторы не боятся его. Но прецеденты были. Для проверки работоспособности включите последовательно конденсатор на 1000 мФ – этот шаг возвратит его в строй или позволит избежать негативных последствий.
  3. Слишком большая амплитуда сигнала. Решить данную проблему можно разными способами:
  • Увести частоту генерации немного в сторону, чтобы она отличалась от основного показателя механического резонанса кварца. Это более сложный вариант.
  • Понизить количество Вольт, что питают сам генератор. Это более лёгкий вариант.
  • Проверить, вышел ли кварцевый резонатор действительно из строя. Так, причиной падения активности может быть флюс или посторонние частицы (необходимо в таком случае его качественно очистить). Также может быть, что слишком активно эксплуатировалась изоляция, и она потеряла свои свойства. Для контрольной проверки по этому пункту можно на КТ315 спаять «трехточку» и проверить осцом (одновременно можно сравнить активность).

Заключение

В статье было рассмотрено, как проверить работоспособность таких элементов электрических схем, как частота кварцевого резонатора, а также их свойство. Были обговорены способы установления необходимой информации, а также возможные причины, почему они выходят из строя во время эксплуатации. Но для избегания негативных последствий всегда трудитесь с ясной головой — и тогда работа кварцевого резонатора будет меньше беспокоить.

Простой и надежный способ проверки кварцевых резонаторов на исправность, простая схема генератора для проверки кварцев. 90% неисправностей кварцевых резонаторов приходится на пульты дистанционного управления вот на них мы пока и остановимся. Я хочу предложить свой метод проверенный не раз.

На первом этапе не нужны вообще никакие приборы! Нам понадобитсялюбой радиоприёмник или на худой конец музыкальный центр если нет приёмника, но тогда к центру нужно подключитъ наружную антенну к разъёму СВ-КВ что не нужно делать с радиоприёмником по причине того, что там есть магнитная антенна.

Включаем на средние волны (СВ), можно и на короткие но там похуже, подносим пульт к приёмнику или к антенне музыкального центра, и нажимаем кнопки. В приёмнике мы услышим характерный звук импульсов, -значит кварцевый резонатор и микросхема с обвязкой в пульте уже исправны. После этого придётся раскрыть пульт и проверить светодиод.

Если в приёмнике мы ничего не слышим? Не хочу останавливаться на питании, думаю каждый с этого начинает любой ремонт. Выпаиваем аккуратно кварц, не перегревая его.

Теперь мы подошли к второму этапу непосредственно проверки кварцевого резонатора можно при помощи мультиметра 890 серии который очень распространён. Вставляем его в гнездо «Сх» и измеряем его ёмкость, при исправном резонаторе прибор покажет сотни пФ при неисправном единицы максимум десятки. Вот пример (частота резонатора — ёмкость на приборе) 440кГц-345пФ 500кГц-490пФ 4мГц-45пФ.

Опираться на эти значения как понимаете можно относительно так как погрешность у этого метода 10-15%. Но мы ведь с самого начала ставили цель проверить рабочий-нерабочий и не более.

Рис.1. Схема генератора для проверки кварцев.

Есть ещё один способ, он самый точный но нужно взятъ в руки паяльник и спаять очень простую схемку (рис.1) на микросхеме К155ЛАЗ. В схеме два резистора 330-670 Ом конденсатор любой. Вот собираем эту схемку и если к конденсатору подключим вход частотомера то узнаем частоту кварца с точностью, с которой измеряет Ваш частотомер.

А если частотомера нет тоже не огорчайтесь, возьмите всё тот же приёмник, к свободной ножке конденсатора прикрутите 0,5-1м провода, прообраз антенны, и слушайте на приемнике сигнал генератора в зависимости от частоты кварца на основной или 3 или 5 гармонике, то есть если у Вас, к примеру кварц на 440кГц то сигнал генератора Вы услышите на 440кГц,1320кГц и 2200кГц и так далее, это принцип кварцевого калибратора которые раньше стояли почти во всех военных радиоприёмниках.

Что такое кварцевые часы и как они работают? — Джек Мейсон

Чтобы понять кварцевые часы, нам нужно сначала понять стандартные способы питания часов. Сегодня на рынке используются три основных типа механизмов или типов энергии:

  • Механический
  • Автомат
  • Кварц или солнечный кварц

Механические часы

Механические часы — это стержень часового мира.Механические часы существуют с момента появления часов. За более чем столетний период модификаций и технологических достижений наиболее существенным отличием механических часов, помимо индивидуального дизайна, является то, что теперь в механических часах используется встроенная заводная головка, а не крошечный ключ для завода внутренней пружины. Механические часы — это часы с ручным заводом, в которых используется сложный механизм, состоящий из сотен мелких деталей, которые гармонично работают вместе, заставляя механические часы тикать.

Часы с автоматическим подзаводом

Хотя с технической точки зрения автоматические механизмы являются более старой технологией, чем кварцевые, они по-прежнему являются одними из самых распространенных механизмов в часах, поскольку обладают разной степенью качества, мастерства и сложности. Вместо батарей они получают энергию от заводной пружины. Эта основная пружина накапливает энергию и распределяет ее через взаимосвязанные шестерни и другие пружины, контролирующие подачу энергии для питания часов. Боевая пружина «заряжается» либо за счет ручного завода, либо за счет естественного движения, создаваемого движением пользователя, которое вращает крошечный ротор вперед и назад.

Хотя большинство автоматических часов могут иметь большую механическую сложность и стоить значительно дороже, чем большинство кварцевых часов, они также менее точны по своей конструкции. В то время как автоматический механизм обычно имеет точность от +/- 10 секунд до +/- 30 секунд в день, кварцевый механизм будет иметь такой же диапазон точности или лучше в течение всего месяца. Для тех, кто стремится к максимальной точности отсчета времени, очевидным выбором станут кварцевые часы.

Кварц

Когда-то кварц был самой современной технологией, которая почти перевернула всю часовую промышленность.Преодолевая то, что считается кварцевой революцией или каким-то кварцевым кризисом (в зависимости от ваших ощущений), кварц вскоре показал, что наиболее эффективный и точный способ определения времени — это не сложная сеть шестеренок, а простой кристалл, батарея и крошечные моторы.

Некоторые сочли непростительным использование этой новой технологии хронометража, так как это нарушило статус-кво мира часового завода.

Давайте не будем забывать, что кварцевые часы, за исключением периодической замены батареек, требуют гораздо меньшего обслуживания, чем их механическая альтернатива.На мгновение забудем, что кварцевые часы точнее показывают время, чем даже самые дорогие механические часы с самой умелой настройкой. Кроме того, в отличие от механических часов, гравитация вообще не влияет на внутреннюю работу, поэтому кварцевые часы точно так же показывают время, когда вы находитесь глубоко под океаном на подводной лодке, и когда вы поднимаетесь на самую высокую гору. Забудьте, что кварцевые часы более доступны, чем механические часы.

Все часы нуждаются в колеблющемся регулирующем элементе, чтобы поддерживать точное время.В механических часах он существует в виде балансовой пружины и колеса баланса. Однако для кварцевых часов есть крошечный кристалл кварца, ограненный в форме камертона.

Давайте еще глубже погрузимся в эту головокружительную зануду.

Кварц естественно вибрирует с точной частотой и обладает пьезоэлектрическими свойствами, что означает, что когда он находится под давлением, он вырабатывает небольшое напряжение электричества. Верно и обратное: когда электрический ток проходит через кварц, он вибрирует, обычно 32 768 раз в секунду.

Большинство часов с кварцевым механизмом имеют гарантированную точность около 15 секунд плюс месяц или около того. Эта точность по-прежнему намного лучше, чем даже у лучших механических часов. Единственный враг кварцевых часов? Температура.

Так как же на самом деле работает внутреннее устройство кварцевых часов?
  1. Батарея обеспечивает ток микросхеме.
  2. Схема микрочипа заставляет точно вырезанный кварцевый кристалл камертона вибрировать со скоростью 32768 раз в секунду.
  3. Другая схема на микрочипе обнаруживает колебания кристалла и преобразует их в регулярные электрические импульсы, один в секунду.
  4. Эти электрические импульсы приводят в действие миниатюрный электрический шаговый двигатель и преобразуют электрическую энергию в механическую.
  5. Электрический шаговый двигатель также вращает крошечные шестеренки.
  6. Эти крошечные шестеренки вращают стрелки по циферблату, чтобы отсчитывать время.

Ответ заключается в том, что кварц колеблется с несколько иной частотой при разных температурах и давлениях.На его способность отсчитывать время в небольшой степени влияет нагревание, охлаждение, постоянно меняющаяся среда вокруг нас. Итак, теоретически, если вы все время держите часы на запястье, это гораздо более или менее постоянная температура. Эти часы будут отслеживать время лучше, чем если бы вы снимали их с запястья, вызывая довольно значительный температурный сдвиг в любой среде.

Главное, что нужно помнить о кварце, — это то, что он пьезоэлектрик. Он будет вибрировать, когда вы приложите к нему электричество, и он будет давать вам электричество, когда вы его вибрируете.Генератор на кварцевом кристалле использует пьезоэлектричество в обоих направлениях — в одно и то же время. Что делает кварц невероятно эффективным источником энергии. Поэтому батарейки для часов на самом деле служат довольно долго.

Итак, почему в кварцевые часы стоит вкладывать деньги?

Что кварцевым часам не хватает утонченности и исторической основы, они выделяются в следующих трех областях:

  1. Практичность
  2. Размер
  3. Прочность

Практичность

Чистая практичность кварцевых часов заключается в том, что у этих часов есть запас хода, которого хватает буквально на всю жизнь.Поэтому после того, как вы установите часы, вам вряд ли когда-либо придется прикасаться к ним снова. Эта подводная гора Green & Steel Jack Mason будет продолжать перевозить ее на грузовиках еще долгие годы (обратите внимание, что ее водонепроницаемость составляет 300 метров). Вы можете забыть свои кварцевые часы на прилавке, забрать их через полгода, и вот они, тикают и готовы к немедленному ношению.

Размер

Размер — ОГРОМНЫЙ фактор. Из-за меньшего размера механизма кварцевые часы могут быть тоньше и меньше автоматических часов.Меньшие корпуса часов необходимы, когда у вас меньшее запястье. Кварцевые часы имеют тенденцию сидеть более плоско, чем механические, потому что их части не занимают так много места, что также означает, что они также легче скользят под манжетами и рукавами.

Прочность

Стоит отметить, что кварцевые механизмы зачастую более долговечны, чем механические часы. Если вы занимаетесь ручным трудом или просто наслаждаетесь свежим воздухом и потенциальными опасностями, связанными с этим, то кварцевые часы идеально подходят для вас.

Обратите внимание на часы Jack Mason Overland, которые отличаются прочностью и водонепроницаемостью до 100 метров. Эти часы изготовлены из японского кварца премиум-класса. Кварцевые часы, такие как Overland, обладают большей ударной способностью, чем механические и автоматические часы, из-за своей непринужденной простоты. Внутри часов нет ничего, что могло бы вылететь из строя, если вы во что-то ударите часы или упадете. Вот почему одни из самых надежных часов — это часы с кварцевым механизмом.

В конце концов, битва между кварцевыми, механическими и автоматическими часами будет выиграна благодаря предпочтениям и способам использования их владельца. Да, всегда найдутся люди, которые скажут, что автоматические часы — более правильный выбор. Или, по крайней мере, автоматические часы унаследовали целостность механических часов. Но вы скажете мне, как он может стать более аутентичным, чем старый камень, который создает электричество при вибрации с определенной частотой? Я имею в виду, это супер круто. Но до того, как появился кварц, энтузиасты часов по всему миру говорили довольно ужасные вещи и об автоматике.Чтобы привыкнуть к новым технологиям в мире, который безвременен, и эта роскошь заключается в деталях, таких как часовая промышленность, требуется время, иногда десятилетия.

Источники:

https://www.explainthatstuff.com/quartzclockwatch.html

Best Watch Movements from Top Watchmakers

Watch Movements: Quartz vs. Mechanical vs. Automatic

Как работают кварцевые часы? — Mondaine UK

Quartz произвел революцию в часовой индустрии, перевернув ее с ног на голову всего за несколько лет во время кварцевой революции.В то время как раньше в часах использовалась крошечная и сложная система шестерен, кварц представил новый и более точный способ измерения времени. Узнайте больше о том, как работают кварцевые часы, от Mondaine, производителя швейцарских часов.


Что такое кварцевые часы?

Кварцевые часы — это часы, в которых используется кварцевый кристалл, батарея и электронный генератор. Любые часы, в механизме которых используется кварц, считаются кварцевыми. Эта система полностью отличается от механических или автоматических часов и считается одной из самых точных.

Кварцевые наручные часы бывают самых разных форм и дизайнов, а кварцевые часы также доступны в виде напольных или настенных часов. С момента изобретения этой технологии кварцевые часы доминировали на рынке и считаются лучшим механизмом хронометража для любых высококлассных часов.


Что такое «кварцевый механизм»?

Термин «кварцевый механизм» относится к способу, которым кварц и батарея заставляют секундную стрелку «тикать», отмечая одну секунду за раз.В этом отличие от автоматического механизма и механического.

Кварцевый механизм: Секундная стрелка «отсчитывает» одну секунду, останавливается и отсчитывает следующую секунду. Он питается от кристалла кварца и батареи.

Механическое движение: Секундная стрелка движется плавно и непрерывно, не тикая. Он приводится в действие заводом часов.

Автоматический механизм: Использует кинетическую энергию движения запястья для привода механизма часов.

Перед кварцем

Чтобы понять, как работают кварцевые часы, важно понять, как они работали раньше, и, следовательно, новую функцию, которую кварц принес на стол.

Сотни лет люди использовали солнце для определения времени. Для многих это было так же просто, как вставать, когда он вставал, и лечь спать, когда он садился. Когда миры людей были меньше и они меньше взаимодействовали с людьми по всему миру и даже по стране, этого было достаточно.

Многие люди использовали солнечные часы, которые могли быть такими же простыми, как палка в земле, для отслеживания, но они были бесполезны без солнечного света (что часто является реальностью в Великобритании!) И не очень точными.

Самые ранние из известных часов датируются 3 веком до нашей эры в Древней Греции, но только в 15 веке нашей эры были впервые представлены точные хронометры и домашние часы.


Часы с маятником

Маятниковые часы были первой формой точного хронометража, которая получила широкое распространение. Итальянский эрудит по имени Галилео Галилей изучил способ качания маятника и обнаружил, что с его помощью можно регулировать время в часах. Эту идею подхватил голландский ученый по имени Христиан Гюйгенс, который в 1656 году спроектировал и построил первые в истории маятниковые часы.Этим занялся в Англии в 1670 году часовщик Уильям Клемент, который сделал первые напольные часы.

Часы с маятником работали благодаря физике качания маятника. Груз на конце маятника регулирует его качание. Когда он достигает своей высшей точки, он обладает большим количеством потенциальной энергии. Затем под действием силы тяжести потенциальная энергия преобразуется в кинетическую энергию (движение). Затем груз достигает другой стороны, и процесс повторяется. Энергия передается многократно, чтобы поддерживать регулярный ритм.Маятник может быть спроектирован так, чтобы вращаться в точное время, чтобы отмечать секунды.

Этот механизм, при котором энергия непрерывно передается между потенциальной и кинетической, называется «гармоническим осциллятором». Осцилляторы необходимы для любого хронометража, включая кварцевые часы.

Осцилляторы вызывают повторяющееся движение энергии вперед и назад. Другими словами, это регулируемое и повторяющееся движение, подобное качанию маятника. Таким образом, их предсказуемая картина может использоваться для измерения времени.

Проблема с маятниками заключается в точности и обслуживании. Кинетическая энергия в потенциал (и наоборот) не передается идеально. Есть много факторов, которые означают, что кинетическая энергия уменьшается, например сопротивление воздуха. В конце концов часы замедлятся и станут неточными. Маятниковые часы нужно было регулярно заводить, чтобы следить за точным временем.


Часовые пружины

У маятниковых часов был еще один серьезный недостаток: они не были портативными.Маятники нужно было держать в одном месте, чтобы поддерживать их ритм, поэтому потребовался новый механизм для создания портативного генератора для питания часов.

Первый переносной часовой механизм, в результате которого в 17 веке были изобретены карманные часы.

Эти часы работали с пружиной, которая была туго заведена для обеспечения мощности при медленном раскручивании. Им также была нужна «колеблющаяся масса». Как и в случае с гармоническим осциллятором в маятниковых часах, которые неоднократно передавали различные формы энергии вперед и назад, колеблющаяся масса в карманных часах выполняла ту же работу.Это часть часов, которая поддерживает устойчивый ритм, а также важна для работы кварцевых часов.

Это колеблющаяся масса, которая держит время. Чем точнее и управляемее это часы, тем лучше.

Первые карманные часы могли показывать неточность на несколько часов в течение дня, и у них не было минутной стрелки, потому что первоначальная колеблющаяся масса была очень неточной.

Однако были изобретены балансовая пружина и балансовое колесо.Они колебались с фиксированной резонансной частотой. Другими словами, движение осциллятора было более регулярным и, следовательно, более точным, чем когда-либо прежде. Движение было более предсказуемым и оставалось регулярным дольше, поэтому лучше следить за временем.

Но была одна проблема; нужно было не забыть заводить часы! Если вы забудете, механизмы часов перестанут колебаться, и часы перестанут записывать время. Он замедлился, а затем остановился.

Кварц

Чтобы найти ответ, часовщикам нужно было найти материал, который не терял бы энергию при колебаниях, и найти совершенно новый способ привести часы в действие.Чтобы это произошло, часовщикам пришлось ждать открытия электричества и изобретения батарей. В сочетании с кварцем они создают часы, которые мы используем сегодня.


Как работает кварц?

В 1880 году Жак и Пьер Кюри обнаружили удивительные свойства кварца. Самое главное, что он пьезоэлектрический.

Когда кварц сжимается или изгибается, он генерирует электрический заряд на своей поверхности. Это также работает и по другому принципу: если приложить небольшой электрический заряд к кварцу, он будет слегка сжиматься или изгибаться.

Это может показаться не слишком особенным, но оно произвело революцию в часовом деле. Этот электрический заряд означал, что на поверхности кварца было колебательное напряжение. Он мог колебаться (повторять движение вперед и назад) очень точно и долго.

Кроме того, кварц обладает исключительной температурной сопротивляемостью. Это означает, что когда кварц колеблется, на него не влияют внешние условия, такие как температура, и поэтому он будет оставаться точным в течение длительного периода времени.Это означает, что кварц является одним из лучших генераторов.

Однако со временем он перестанет колебаться. Представьте себе колокольчик, который из-за вибраций издает звон. Когда он ударил в колокол, звук создается и постепенно затухает по мере уменьшения вибрации. Людям нужно было найти способ поддерживать регулярные колебания кварца, если они собирались быть полезными в часовом деле.


Кварц и электрические схемы

В 1928 году Уоррен Моррисон обнаружил, что, пропуская заряд через кристалл кварца, он может поддерживать устойчивый ритм.Это было очень важно для развития часов в следующие несколько десятилетий.

Было обнаружено, что электрический заряд, который естественным образом создается на поверхности кристалла кварца под давлением, может быть снят с поверхности материала с помощью электродов и электрической цепи.

Затем заряд усиливается через транзистор и снова подается на кварц. Электрический заряд непрерывно перемещался по кварцу и заставлял его постоянно колебаться. Благодаря особым свойствам кристалла во время этого процесса почти не терялась энергия, поэтому он был очень эффективным.

Технология в сочетании с кварцем позволила ему продолжать колебаться в течение длительного периода времени без потери энергии. Это был самый точный генератор и идеальный способ привести часы в действие.


Аккумуляторы

Таким образом, для каждых кварцевых часов требуется батарейка. Батарея передает электричество кварцу через цепь. Благодаря пьезоэлектрическим свойствам кварца батарея заставляет его вибрировать (колебаться) с очень определенной частотой: 32768 раз в секунду.

Схема подсчитывает количество колебаний и использует их для создания электрического импульса. Один импульс на каждые 32768 полуколебаний. Каждую секунду.

Импульсы приводят в движение двигатель, который вращает стрелки часов.

Вкратце

Кварцевые часы работают как:


  1. Батарея вырабатывает ток в цепи часов, частью которой является кристалл кварца.
  2. Этот ток заставляет кварц вибрировать ровно 32768 раз в секунду.
  3. Схема считает до колебаний и превращает каждые 32768 колебаний в один электрический импульс.
  4. Электрические импульсы приводят в действие крошечный электродвигатель, который преобразует электрическую энергию импульсов в механическую.
  5. Эта энергия вращает шестерни в часах.
  6. Шестерни заставляют стрелки часов вращаться вокруг циферблата.

Почему в часах используется кварц?

Кварц используется в часах, потому что он как минимум в 100 раз точнее предыдущих механизмов и служит очень долго.Кварцевые часы — лучший выбор по надежности и точности.

Историческое влияние

Кварцевый кризис

Quartz перевернул часовую промышленность с ног на голову во время так называемого кварцевого кризиса или кварцевой революции.

Хотя свойства кварца были открыты почти за столетие до этого, только в 1970-х и 80-х годах кварц стал обычным явлением в процессе изготовления часов.

Это изменение привело к огромным экономическим потрясениям, поскольку кварцевые часы заменили механические часы.Все началось, когда были выпущены часы под названием Astron .


Конкуренция за кварц

В конце 1950-х и начале 60-х годов швейцарские и японские производители часов спешили создать первые кварцевые часы. Настолько, что был основан Центр электроники часов (CEH), в котором двадцать различных швейцарских производителей часов могли сотрудничать для разработки первых кварцевых часов швейцарского производства.

Японская компания Seiko впервые представила портативные кварцевые часы, которые они назвали Seiko Crystal Chronometer QC-951.Спустя пару лет они выпустили прототипы первых в мире кварцевых карманных часов. В 1967 году Seiko и CEH в Швейцарии создали прототипы первых кварцевых наручных часов.

Однако именно Seiko выпустила первые официальные кварцевые часы Astron в 1969 году. Это положило начало кварцевой революции, также известной как кварцевый кризис.


Японский кварцевый механизм

Поскольку первые кварцевые часы пришли из Японии, механизм, с помощью которого работают кварцевые часы, часто называют японским кварцевым механизмом .В нем описывается механизм использования кварца для питания и отсчета времени в часах.

Часы Astron были невероятно популярны и означали, что часовщики должны были изменить свой производственный процесс или остаться позади.


Экономический эффект

В 1970-х и 80-х годах произошли огромные изменения, поскольку экономическая мощь перешла от швейцарских производителей часов, которые в то время все еще производили почти исключительно механические часы, к японским производителям, таким как Seiko, Citizen и Casio.

Часовая промышленность пережила масштабные потрясения, но адаптировалась.Большинство известных производителей часов восприняли изменения в технологиях и начали производить свои собственные версии кварцевых часов. Эпоха кварца шла полным ходом.

Сегодня кварцевый механизм по-прежнему является самым популярным механизмом, используемым для привода часов, и встречается во всей часовой индустрии. Швейцарские часы Mondaine работают с кварцевым механизмом для достижения максимальной точности в сочетании со стилем и дизайном.


Механическое против кварцевого

Какой механизм выбрать, если вы ищете новые часы?

Механические часы приводятся в действие с помощью пружин и должны заводиться.В кварцевых же часах используется батарея в сочетании с кварцевым кристаллом.

Кварц имеет много преимуществ перед механическими, поэтому в нашу эпоху мало кто выбирает механические часы. Кварц более долговечен и примерно в 100 раз точнее старых механизмов, используемых в часах. Кроме того, это зачастую дешевле, чем механические альтернативы.

Тем не менее, некоторые люди по-прежнему выбирают механические часы из-за их высокого мастерства и эстетической привлекательности.


Кварцевые часы по-прежнему остаются самыми популярными?

С тех пор, как кварц впервые появился в часовой промышленности, многое изменилось.За последние несколько десятилетий произошел огромный скачок в технологиях, и это отразилось на производстве часов.

С 2010 года умные часы присутствуют на рынке и становятся все более популярными, например, гибридные умные часы Mondaine Helvetica.

Несмотря на рост количества умных часов, кварцевые часы по-прежнему остаются популярными, вероятно, из-за того, что не все хотят, чтобы часы подсчитывали их шаги или уведомляли их о сообщениях!

Время покажет, как новейшие достижения в области технологий повлияют на часовую промышленность и популярность кварцевых часов.Но мы знаем, что кварцевые часы с их непревзойденной точностью и высококачественной механикой будут оставаться популярными еще долгое время.

Как работают кварцевые часы

Как работают кварцевые часы — Объясните, что материал Реклама

Вы можете не верить в астрологию, но Нет никаких сомнений в том, что планеты управляют нашей жизнью. Мы встаем, когда восходит солнце (или когда-нибудь после) и ложитесь спать, когда она схватится.У нас есть календарь на основе дни, месяцы и годы — периоды времени, относящиеся к тому, как Луна и Земля движутся по небу вокруг Солнца. На протяжении большей части истории люди сочли этот вид «астрономического хронометража» достаточно хорошим для их потребности. Но по мере того, как мир становился все более безумным и сложные, люди должны были вести учет часов, минут и секунды, а также дни, месяцы и годы. Это означало, что нам нужно точные способы отсчета времени. Часы с маятником и механические часы раньше были лучшим способом сделать это.Сегодня многие люди используют Кварцевые часы и вместо них часы — но что это такое и как они работают? Работа?

Фото: Кварц действительно дешевый, и часы, которые его используют, почти не нуждаются в каких-либо движущихся частях. Вот почему теперь он используется даже в самых недорогих часах. Поскольку они такие точные и надежные, это очень важный аргумент — вот почему на циферблатах таких часов с гордостью написано слово «кварц». Обратите внимание, что это аналог часы (со стрелками): кварцевые часы и часы не обязательно должны быть цифровыми (иметь числовые дисплеи).

Как работают обычные часы

Все мы знаем, что часы отсчитывают время, но останавливались ли вы когда-нибудь, чтобы подумайте, как это сделать? Наверное, самые простые часы, которые ты мог бы make — это говорящие часы. Если считать секунды, повторяя фразу чтобы сказать (например, «слон», «слон два «,» слоник три «…), вы обнаружите, что умеете красиво держать время точно. Попробуйте сами. Скажите своим слонам от одного до шестидесяти и посмотрите насколько хорошо вы отсчитываете время за минуту по сравнению с часами.

Неплохо, а? Проблема в том, что у большинства из нас есть дела поважнее. день, чем сказать «слон». Вот почему люди изобрели часы. Несколько из в самых ранних часах для измерения времени использовались качающиеся маятники. Маятник — это длинный стержень или гиря на тетиве, которая раскачивается вперед и назад. В 1583 г. итальянский физик Галилео Галилей (1564–1642) обнаружил, что маятнику определенной длины всегда требуется одно и то же время, чтобы повернуться назад и далее, независимо от того, насколько он тяжелый или насколько велики качели.Он понял это, наблюдая, как огромная лампа качается на цепочке из потолок Пизанского собора в Италии, и используя свой пульс, чтобы отсчитывать время его движения назад и вперед. В часах задача маятника — регулировать скорость. шестерен (сцепляющиеся колеса с врезанными в их края зубьями). Шестеренки подсчитывают количество прошедших секунд и преобразуют их в минуты и часы, отображаемые на руках, которые кружат циферблат. Другими словами: шестерни в маятниковых часах действительно просто считать слонов.

Фото: Сила маятника: Этот качающийся стержень (с грузом внизу) — то, что держит время в напольных часах. Это было одно из величайших открытий, которых мы обязаны Галилею.

Вы можете сделать маятниковые часы, привязав груз к нить. Если длина струны составляет около 25 см (10 дюймов), маятник будет качаться вперед и назад примерно раз в секунду. Более короткие строки будут качайте быстрее, а длинные струны медленнее. Проблема с часами вроде это то, что маятник будет останавливаться.Сопротивление воздуха и трение скоро израсходует свою энергию и остановит ее. Вот почему маятниковые часы имеют в себе пружины. Примерно раз в день вы заканчиваете пружина внутри часов, чтобы накапливать потенциальную энергию, чтобы маятник двигался в течение следующих 24 часов. Когда пружина разматывается, она приводит в действие шестерни. внутри часов. С помощью качающегося механизма под названием спусковой механизм , маятник заставляет шестерни вращаться с определенной скоростью — и вот как шестерни держат время. Карманные часы явно слишком малы, чтобы иметь маятник внутри него, поэтому он использует другой механизм.Вместо маятник, у него балансовое колесо , которое сначала поворачивается в одну сторону и затем другой, управляемый спусковым механизмом гораздо меньшего размера, чем тот, что в маятниковые часы.

Подробнее обо всем этом читайте в отдельной статье о маятнике. часы.

Рекламные ссылки

Как работают кварцевые часы

Фото: Кристаллы кварца. Фото любезно предоставлено Геологической службой США.

Проблема с маятниковыми часами и обычными часами в том, что вы не забывайте наматывать их.Если ты забываешь, они останавливаются — а ты понятия не имею, который час. Еще одна трудность с маятниковыми часами заключается в том, что они зависят от силы тяжести, которая очень незначительно меняется от места к месту; это означает, что маятниковые часы показывают время на большой высоте иначе, чем на уровне моря! Маятники также изменяют длину при изменении температуры, немного расширяется в теплые дни и сужается в холодные дни, что делает их менее точными снова.

Все эти проблемы решают кварцевые часы. Они питаются от батареи и, поскольку они используют так мало электричества, батарея часто может прослужить несколько лет, прежде чем вам потребуется ее заменить.К тому же они намного точнее маятниковых часов. Кварцевые часы работают совсем не так, как маятниковые и обычные часы. У них все еще есть шестеренки, чтобы отсчитывать секунды, минуты и часов и проведите стрелками по циферблату. Но шестерни регулируется крошечным кристаллом кварца вместо качающегося маятника или движущееся колесо баланса. Гравитация вообще не фигурирует в работе, поэтому кварцевые часы показывает время, когда вы поднимаетесь на Эверест, и когда вы находитесь в море.

На фото: кварцевый генератор от часов. Вы можете увидеть, насколько он маленький, посмотрев на самую последнюю фотографию на этой странице. Это часть под номером 5 на этом рисунке.

«Кварц» звучит экзотично: буквы «q» и «z» означают, что это отличное слово для игры. Эрудит — но на самом деле это один из самых распространенных полезные ископаемые на Земле. Он сделан из химического соединения, называемого кремнием. диоксид (кремний также является материалом, из которого сделаны компьютерные микросхемы), и вы можете найти его в песке и большинстве типов скал.Возможно, самое интересное в кварце — это то, что он пьезоэлектрический. Это означает, что если вы сожмете кристалл кварца, он образует крошечный электрическое напряжение. Верно и обратное: если вы подаете напряжение на кусок кварца, он вибрирует с определенной частотой (он встряхивается точное количество раз в секунду).

Внутри кварцевых часов батарея передает электричество на кристалл кварца через электронную схему. Кристалл кварца колеблется (колеблется взад и вперед) на точная частота: ровно 32768 раз в секунду.В схема подсчитывает количество вибраций и использует их для генерации регулярные электрические импульсы, один в секунду. Эти импульсы могут питать ЖК-дисплей (показывающий время в цифрах) или они могут приводить в движение небольшой электродвигатель (фактически, крошечный шаговый двигатель), вращая шестерни, которые вращают секундную, минутную и часовую стрелки часов.

Внутри кварцевых часов

По идее работает так:

  1. Батарея обеспечивает ток микросхеме
  2. Схема микрочипа
  3. делает кристалл кварца (точно вырезанный и имеющий форму камертон) колеблется (вибрирует) 32768 раз в секунду.
  4. Схема микрочипа
  5. обнаруживает колебания кристалла и превращает их в регулярные электрические импульсы, один в секунду.
  6. Электроимпульсы приводят в действие миниатюрный шаговый электродвигатель. Это преобразует электрическую энергию в механическую.
  7. Электрический шаговый двигатель вращает шестерни.
  8. Gears водит стрелками по циферблату, чтобы отсчитывать время.

На практике …

А вот так на самом деле выглядит внутренняя часть кварцевых часов. Ни при каких обстоятельствах не разбирайте свой, если вы когда-нибудь захотите, чтобы он снова заработал.Вы не можете увидеть все эти части, просто сняв заднюю крышку часов. Показанные здесь часы поставлялись бесплатно с пачкой кукурузных хлопьев (серьезно!), И они были сломаны, прежде чем я открыл их. Но потом он сломался еще сильнее …

  1. Аккумулятор.
  2. Электродвигатель шаговый.
  3. Микрочип.
  4. Схема соединяет микросхему с другими компонентами.
  5. Кварцевый генератор.
  6. Винт с головкой для установки времени.
  7. Шестерни вращают часовую, минутную и секундную стрелки с разной скоростью.
  8. Крошечный центральный вал удерживает руки на месте.

Почему кварцевые часы вообще выигрывают или теряют время?

Если кварцевые часы настолько удивительны, вы можете задаться вопросом, почему кварцевые часы не отслеживают время с абсолютной точностью вечно. Почему он все еще выигрывает или теряет секунды здесь и там? Ответ в том, что кварц вибрирует с немного другой частотой при разных температурах и давлениях поэтому на его способность вести хронометраж в незначительной степени влияет потепление, охлаждение и постоянно меняющийся мир вокруг нас.Теоретически, если вы все время держите часы на запястье (которое более или менее постоянно температура), он будет держать время лучше, чем если бы вы его включали и выключали (вызывая довольно резкое изменение температуры каждый раз). Но даже если кварцевый кристалл может вибрировать с совершенно постоянной частотой, то, как он установлен в цепи, крошечные дефекты в зубчатой ​​передаче, трении и т. Д. Также могут вносить незначительные ошибки в хронометраж. Всех этих эффектов достаточно, чтобы ввести погрешность до секунды в день в типичных кварцевых часах и наручных часах. (имейте в виду, что секунда, потерянная в один день, может быть компенсирована секундой, полученной на следующий день, поэтому общая точность может быть всего несколько секунд в месяц).

Но как на самом деле работает бит

из кристалла кварца ?

Вы можете найти это достаточное объяснение, и если да, то можете перестать читать сейчас. Ниже приводится более подробное обсуждение того, как кварцевый кварцевый генератор на самом деле работает для тех, кто хочет немного глубже. Я должен предупредить вас, что если у вас нет степени в области электроники инженерные сети, схемы на кристалле кварца очень быстро становятся очень сложными. Я собираюсь дать тебе очень краткая, упрощенная версия того, что происходит, и несколько указателей для дальнейшего чтения, чтобы вы можете копать глубже, если хотите.

Главное, что нужно помнить о кварце, — это то, что он пьезоэлектрический: он будет вибрировать, когда вы приложите к нему электричество, или он будет излучать электричество, когда вы его вибрируете. Генератор на кварцевом кристалле использует пьезоэлектричество обоими способами — одновременно!

То, как я нарисовал свою диаграмму выше, делает вид, будто кристалл кварца отделен от схема микрочипа, но, на самом деле, кристалл является интимной частью этой схемы, подключенной к ней двумя электродами. Их хорошо видно на большом фото внутренней части часов и в фото самого генератора: это две маленькие серебристые ножки, торчащие из цилиндрического металла кейс.По сути, кварцевый генератор — это просто еще один компонент, подключенный к цепи микрочипа, точно так же, как резистор или конденсатор.

Я говорю «схема», но проще представить генератор как часть двух отдельных схем, каждая из которых находится на одном микрочипе. Первая цепь (назовем ее входной) стимулирует кристалл кварца импульсами электричества. Подача электричества в кварц заставляет его вибрировать (или, если хотите, колебаться или резонировать) через то, что иногда называют обратным пьезоэлектрическим эффектом (когда электричество производит вибрации).Генератор настроен так, что кварц колеблется ровно 32768 раз в секунду. Но теперь вспомните обычный пьезоэлектрический эффект: когда кусок кварца вибрирует, он генерирует электрическое напряжение. Вторая схема микрочипа определяет это «выходное напряжение». (колеблется 32768 раз в секунду) и делит свою частоту для получения раз в секунду импульсы, которые приводят в действие двигатель, приводящий в действие шестерни. В часах с цифровым дисплеем вместо шестерен микросхема многократно делит частоту генератора для управления сегментами часов, минут и секунд (как показано на иллюстрации ниже).

Иллюстрация: Как кварцевый осциллятор приводит в действие цифровые часы с отображением часов и минут и мигающим двоеточием между ними («12:32»), указывающим прошедшие секунды. Осциллятор (желтый) вибрирует 32 768 раз в секунду. Двоичный делитель (синий, слева) делит это на два 15 раз (так что 32768 ÷ 2 ÷ 2 ÷ 2 ÷ 2 ÷ 2 ÷ 2 ÷ 2 ÷ 2 ÷ 2 ÷ 2 ÷ 2 ÷ 2 ÷ 2 ÷ 2 ÷ 2 = 1) для создания импульса с частотой 1 Гц (один в секунду), который управляет мигающим двоеточием. Сам сигнал 1 Гц от делителя делится на 60, чтобы получить минуты, и еще на 12, чтобы получить часы.Эти сигналы управляют серией драйверов (красный), которые приводят в действие сегменты цифрового дисплея. Иллюстрация из патента США 3 863 436: твердотельные кварцевые часы Джека Шварцшильда и Раймонда Боксбергера, Timex. 4 февраля 1975 г., любезно предоставлено Управлением по патентам и товарным знакам США.

В одной из первых форм кварцевого генератора на кристалле кварца было установлено два набора электродов. Первый набор был подключен к входной цепи и подавал электричество на кристалл, заставляя его вибрировать. Когда кристалл вибрировал, он генерировал пьезоэлектрическое напряжение.Это обнаружил второй комплект электродов (заклинило к другой части того же кристалла) и подается на выходную цепь. Когда кварцевая технология была уменьшена для использования в компактных наручных часах, стало ясно, что меньшие размеры Генераторы были необходимы, и не было места для двух пар электродов. Вот почему современные осцилляторы Используйте одну пару электродов как для стимуляции кристалла энергией, так и для обнаружения его колебаний.

Это все, что я вам скажу. Если вы хотите узнать больше, вы можете взглянуть на следующие источники.Имейте в виду, что они сложны, и их трудно понять, если у вас нет некоторых знаний в области электронной техники.

Дополнительная литература

Общий
  • Кварцевый осциллятор: подробное введение из Википедии. Это одна из тех немного сбивающих с толку статей Википедии, которые могут иметь смысл только для людей, которые знают достаточно о предмете, чтобы написать статью. Тем не менее, это разумная отправная точка для дальнейших исследований.
  • Хрустальные часы В.А. Marrison, Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, Vol. 16, No. 7 (15 июля 1930 г.), стр. 496–507. Одна из самых ранних работ по технологии кристаллов кварца, написанная одним из ее пионеров.
История
  • Эволюция кварцевых хрустальных часов Уоррена А. Маррисона, Технический журнал Bell System, Vol. XXVII, pp. 510–588, 1948. Это превосходный, увлекательный, исчерпывающий и подробный документ, излагающий историю кварцевого хронометража.Но учтите, что это сложная статья из технического журнала. [Архивировано через Wayback Machine и доступно в различных других форматах на Интернет-архив.]
  • Современные разработки точных часов А. Л. Лумиса (Лаборатория Лумиса) и В. А. Маррисона, IEE Electrical Engineering, Vol. 51, No. 2, февраль 1932 г. Еще один классический отчет из архивов двух ключевых пионеров. (Статья для подписки загружена в электронном виде в 2013 г.)
  • Варианты и комбинации: изобретение и разработка технологий кварцевых часов в AT&T Шауль Кацир, Icon, Международный комитет истории технологий (ICOHTEC), Vol.22 (2016), стр. 78–114. Подробный взгляд на то, как кварцевые часы были разработаны Уорреном Маррисоном и его коллегами.
Патенты
Рекламные ссылки

Узнать больше

На этом сайте

Книги

  • О времени Адам Франк. Oneworld, 2013. Яркая история часов — от солнечных до квантовых.
  • «Искаженное время», автор — Клаудиа Хаммонд. HarperCollins, 2013. Как мы воспринимаем время — и правда ли, что наше чувство времени «все в уме»? По сути, научно-популярное руководство по психологии времени.
  • История часов Эрика Брутона. Книжные продажи, 2004. Краткое введение в часы, древние и современные.
  • Пип Пип: Взгляд со стороны на время Джея Гриффитса. HarperCollins, 2000. Как мы переживаем время по мере того, как проходит наша жизнь. Оригинальное, наводящее на размышления руководство о том, как время течет в нашей жизни и наоборот.

Статьи

Патенты

Чтобы получить более подробные технические сведения, попробуйте:

  • Патент США 3,863,436: твердотельные кварцевые часы Джека Шварцшильда и Раймонда Боксбергера, Timex.4 февраля 1975 г. Этот относительно простой для понимания патент описывает типичные современные электронные часы с цифровым дисплеем. На рисунке 3 и сопроводительном тексте показано, как сигнал кварцевого генератора 32 768 Гц многократно разделяется микросхемой интегральной схемы на драйверы часов, минут и секунд, которые питают дисплей.
  • Патент США 3 803 828: Подстройка резистора для кварцевого генератора Юджина Киллера и Роберта Шапиро, Timex. 16 апреля 1974 г. В этом более раннем патенте описана типичная схема «подстройки», с помощью которой кварцевый генератор может использоваться для питания часов с высокой точностью.

Пожалуйста, НЕ копируйте наши статьи в блоги и другие сайты

статей с этого сайта зарегистрированы в Бюро регистрации авторских прав США. Копирование или иное использование зарегистрированных работ без разрешения, удаление этого или других уведомлений об авторских правах и / или нарушение смежных прав может привести к серьезным гражданским или уголовным санкциям.

Авторские права на текст © Крис Вудфорд, 2006, 2015. Все права защищены. Полное уведомление об авторских правах и условиях использования.

Подписывайтесь на нас

Сохранить или поделиться этой страницей

Нажмите CTRL + D, чтобы добавить эту страницу в закладки на будущее, или расскажите об этом своим друзьям с помощью:

Цитировать эту страницу

Вудфорд, Крис.(2006/2015) Часы кварцевые. Получено с https://www.explainthatstuff.com/quartzclockwatch.html. [Доступ (укажите дату здесь)]

Больше на нашем сайте …

Как работают кварцевые часы

Как работают кварцевые часы — Объясните, что материал Реклама

Вы можете не верить в астрологию, но Нет никаких сомнений в том, что планеты управляют нашей жизнью.Мы встаем, когда восходит солнце (или когда-нибудь после) и ложитесь спать, когда она схватится. У нас есть календарь на основе дни, месяцы и годы — периоды времени, относящиеся к тому, как Луна и Земля движутся по небу вокруг Солнца. На протяжении большей части истории люди сочли этот вид «астрономического хронометража» достаточно хорошим для их потребности. Но по мере того, как мир становился все более безумным и сложные, люди должны были вести учет часов, минут и секунды, а также дни, месяцы и годы. Это означало, что нам нужно точные способы отсчета времени.Часы с маятником и механические часы раньше были лучшим способом сделать это. Сегодня многие люди используют Кварцевые часы и вместо них часы — но что это такое и как они работают? Работа?

Фото: Кварц действительно дешевый, и часы, которые его используют, почти не нуждаются в каких-либо движущихся частях. Вот почему теперь он используется даже в самых недорогих часах. Поскольку они такие точные и надежные, это очень важный аргумент — вот почему на циферблатах таких часов с гордостью написано слово «кварц».Обратите внимание, что это аналог часы (со стрелками): кварцевые часы и часы не обязательно должны быть цифровыми (иметь числовые дисплеи).

Как работают обычные часы

Все мы знаем, что часы отсчитывают время, но останавливались ли вы когда-нибудь, чтобы подумайте, как это сделать? Наверное, самые простые часы, которые ты мог бы make — это говорящие часы. Если считать секунды, повторяя фразу чтобы сказать (например, «слон», «слон два «,» слоник три «…), вы обнаружите, что умеете красиво держать время точно.Попробуйте сами. Скажите своим слонам от одного до шестидесяти и посмотрите насколько хорошо вы отсчитываете время за минуту по сравнению с часами.

Неплохо, а? Проблема в том, что у большинства из нас есть дела поважнее. день, чем сказать «слон». Вот почему люди изобрели часы. Несколько из в самых ранних часах для измерения времени использовались качающиеся маятники. Маятник — это длинный стержень или гиря на тетиве, которая раскачивается вперед и назад. В 1583 г. итальянский физик Галилео Галилей (1564–1642) обнаружил, что маятнику определенной длины всегда требуется одно и то же время, чтобы повернуться назад и далее, независимо от того, насколько он тяжелый или насколько велики качели.Он понял это, наблюдая, как огромная лампа качается на цепочке из потолок Пизанского собора в Италии, и используя свой пульс, чтобы отсчитывать время его движения назад и вперед. В часах задача маятника — регулировать скорость. шестерен (сцепляющиеся колеса с врезанными в их края зубьями). Шестеренки подсчитывают количество прошедших секунд и преобразуют их в минуты и часы, отображаемые на руках, которые кружат циферблат. Другими словами: шестерни в маятниковых часах действительно просто считать слонов.

Фото: Сила маятника: Этот качающийся стержень (с грузом внизу) — то, что держит время в напольных часах. Это было одно из величайших открытий, которых мы обязаны Галилею.

Вы можете сделать маятниковые часы, привязав груз к нить. Если длина струны составляет около 25 см (10 дюймов), маятник будет качаться вперед и назад примерно раз в секунду. Более короткие строки будут качайте быстрее, а длинные струны медленнее. Проблема с часами вроде это то, что маятник будет останавливаться.Сопротивление воздуха и трение скоро израсходует свою энергию и остановит ее. Вот почему маятниковые часы имеют в себе пружины. Примерно раз в день вы заканчиваете пружина внутри часов, чтобы накапливать потенциальную энергию, чтобы маятник двигался в течение следующих 24 часов. Когда пружина разматывается, она приводит в действие шестерни. внутри часов. С помощью качающегося механизма под названием спусковой механизм , маятник заставляет шестерни вращаться с определенной скоростью — и вот как шестерни держат время. Карманные часы явно слишком малы, чтобы иметь маятник внутри него, поэтому он использует другой механизм.Вместо маятник, у него балансовое колесо , которое сначала поворачивается в одну сторону и затем другой, управляемый спусковым механизмом гораздо меньшего размера, чем тот, что в маятниковые часы.

Подробнее обо всем этом читайте в отдельной статье о маятнике. часы.

Рекламные ссылки

Как работают кварцевые часы

Фото: Кристаллы кварца. Фото любезно предоставлено Геологической службой США.

Проблема с маятниковыми часами и обычными часами в том, что вы не забывайте наматывать их.Если ты забываешь, они останавливаются — а ты понятия не имею, который час. Еще одна трудность с маятниковыми часами заключается в том, что они зависят от силы тяжести, которая очень незначительно меняется от места к месту; это означает, что маятниковые часы показывают время на большой высоте иначе, чем на уровне моря! Маятники также изменяют длину при изменении температуры, немного расширяется в теплые дни и сужается в холодные дни, что делает их менее точными снова.

Все эти проблемы решают кварцевые часы. Они питаются от батареи и, поскольку они используют так мало электричества, батарея часто может прослужить несколько лет, прежде чем вам потребуется ее заменить.К тому же они намного точнее маятниковых часов. Кварцевые часы работают совсем не так, как маятниковые и обычные часы. У них все еще есть шестеренки, чтобы отсчитывать секунды, минуты и часов и проведите стрелками по циферблату. Но шестерни регулируется крошечным кристаллом кварца вместо качающегося маятника или движущееся колесо баланса. Гравитация вообще не фигурирует в работе, поэтому кварцевые часы показывает время, когда вы поднимаетесь на Эверест, и когда вы находитесь в море.

На фото: кварцевый генератор от часов. Вы можете увидеть, насколько он маленький, посмотрев на самую последнюю фотографию на этой странице. Это часть под номером 5 на этом рисунке.

«Кварц» звучит экзотично: буквы «q» и «z» означают, что это отличное слово для игры. Эрудит — но на самом деле это один из самых распространенных полезные ископаемые на Земле. Он сделан из химического соединения, называемого кремнием. диоксид (кремний также является материалом, из которого сделаны компьютерные микросхемы), и вы можете найти его в песке и большинстве типов скал.Возможно, самое интересное в кварце — это то, что он пьезоэлектрический. Это означает, что если вы сожмете кристалл кварца, он образует крошечный электрическое напряжение. Верно и обратное: если вы подаете напряжение на кусок кварца, он вибрирует с определенной частотой (он встряхивается точное количество раз в секунду).

Внутри кварцевых часов батарея передает электричество на кристалл кварца через электронную схему. Кристалл кварца колеблется (колеблется взад и вперед) на точная частота: ровно 32768 раз в секунду.В схема подсчитывает количество вибраций и использует их для генерации регулярные электрические импульсы, один в секунду. Эти импульсы могут питать ЖК-дисплей (показывающий время в цифрах) или они могут приводить в движение небольшой электродвигатель (фактически, крошечный шаговый двигатель), вращая шестерни, которые вращают секундную, минутную и часовую стрелки часов.

Внутри кварцевых часов

По идее работает так:

  1. Батарея обеспечивает ток микросхеме
  2. Схема микрочипа
  3. делает кристалл кварца (точно вырезанный и имеющий форму камертон) колеблется (вибрирует) 32768 раз в секунду.
  4. Схема микрочипа
  5. обнаруживает колебания кристалла и превращает их в регулярные электрические импульсы, один в секунду.
  6. Электроимпульсы приводят в действие миниатюрный шаговый электродвигатель. Это преобразует электрическую энергию в механическую.
  7. Электрический шаговый двигатель вращает шестерни.
  8. Gears водит стрелками по циферблату, чтобы отсчитывать время.

На практике …

А вот так на самом деле выглядит внутренняя часть кварцевых часов. Ни при каких обстоятельствах не разбирайте свой, если вы когда-нибудь захотите, чтобы он снова заработал.Вы не можете увидеть все эти части, просто сняв заднюю крышку часов. Показанные здесь часы поставлялись бесплатно с пачкой кукурузных хлопьев (серьезно!), И они были сломаны, прежде чем я открыл их. Но потом он сломался еще сильнее …

  1. Аккумулятор.
  2. Электродвигатель шаговый.
  3. Микрочип.
  4. Схема соединяет микросхему с другими компонентами.
  5. Кварцевый генератор.
  6. Винт с головкой для установки времени.
  7. Шестерни вращают часовую, минутную и секундную стрелки с разной скоростью.
  8. Крошечный центральный вал удерживает руки на месте.

Почему кварцевые часы вообще выигрывают или теряют время?

Если кварцевые часы настолько удивительны, вы можете задаться вопросом, почему кварцевые часы не отслеживают время с абсолютной точностью вечно. Почему он все еще выигрывает или теряет секунды здесь и там? Ответ в том, что кварц вибрирует с немного другой частотой при разных температурах и давлениях поэтому на его способность вести хронометраж в незначительной степени влияет потепление, охлаждение и постоянно меняющийся мир вокруг нас.Теоретически, если вы все время держите часы на запястье (которое более или менее постоянно температура), он будет держать время лучше, чем если бы вы его включали и выключали (вызывая довольно резкое изменение температуры каждый раз). Но даже если кварцевый кристалл может вибрировать с совершенно постоянной частотой, то, как он установлен в цепи, крошечные дефекты в зубчатой ​​передаче, трении и т. Д. Также могут вносить незначительные ошибки в хронометраж. Всех этих эффектов достаточно, чтобы ввести погрешность до секунды в день в типичных кварцевых часах и наручных часах. (имейте в виду, что секунда, потерянная в один день, может быть компенсирована секундой, полученной на следующий день, поэтому общая точность может быть всего несколько секунд в месяц).

Но как на самом деле работает бит

из кристалла кварца ?

Вы можете найти это достаточное объяснение, и если да, то можете перестать читать сейчас. Ниже приводится более подробное обсуждение того, как кварцевый кварцевый генератор на самом деле работает для тех, кто хочет немного глубже. Я должен предупредить вас, что если у вас нет степени в области электроники инженерные сети, схемы на кристалле кварца очень быстро становятся очень сложными. Я собираюсь дать тебе очень краткая, упрощенная версия того, что происходит, и несколько указателей для дальнейшего чтения, чтобы вы можете копать глубже, если хотите.

Главное, что нужно помнить о кварце, — это то, что он пьезоэлектрический: он будет вибрировать, когда вы приложите к нему электричество, или он будет излучать электричество, когда вы его вибрируете. Генератор на кварцевом кристалле использует пьезоэлектричество обоими способами — одновременно!

То, как я нарисовал свою диаграмму выше, делает вид, будто кристалл кварца отделен от схема микрочипа, но, на самом деле, кристалл является интимной частью этой схемы, подключенной к ней двумя электродами. Их хорошо видно на большом фото внутренней части часов и в фото самого генератора: это две маленькие серебристые ножки, торчащие из цилиндрического металла кейс.По сути, кварцевый генератор — это просто еще один компонент, подключенный к цепи микрочипа, точно так же, как резистор или конденсатор.

Я говорю «схема», но проще представить генератор как часть двух отдельных схем, каждая из которых находится на одном микрочипе. Первая цепь (назовем ее входной) стимулирует кристалл кварца импульсами электричества. Подача электричества в кварц заставляет его вибрировать (или, если хотите, колебаться или резонировать) через то, что иногда называют обратным пьезоэлектрическим эффектом (когда электричество производит вибрации).Генератор настроен так, что кварц колеблется ровно 32768 раз в секунду. Но теперь вспомните обычный пьезоэлектрический эффект: когда кусок кварца вибрирует, он генерирует электрическое напряжение. Вторая схема микрочипа определяет это «выходное напряжение». (колеблется 32768 раз в секунду) и делит свою частоту для получения раз в секунду импульсы, которые приводят в действие двигатель, приводящий в действие шестерни. В часах с цифровым дисплеем вместо шестерен микросхема многократно делит частоту генератора для управления сегментами часов, минут и секунд (как показано на иллюстрации ниже).

Иллюстрация: Как кварцевый осциллятор приводит в действие цифровые часы с отображением часов и минут и мигающим двоеточием между ними («12:32»), указывающим прошедшие секунды. Осциллятор (желтый) вибрирует 32 768 раз в секунду. Двоичный делитель (синий, слева) делит это на два 15 раз (так что 32768 ÷ 2 ÷ 2 ÷ 2 ÷ 2 ÷ 2 ÷ 2 ÷ 2 ÷ 2 ÷ 2 ÷ 2 ÷ 2 ÷ 2 ÷ 2 ÷ 2 ÷ 2 = 1) для создания импульса с частотой 1 Гц (один в секунду), который управляет мигающим двоеточием. Сам сигнал 1 Гц от делителя делится на 60, чтобы получить минуты, и еще на 12, чтобы получить часы.Эти сигналы управляют серией драйверов (красный), которые приводят в действие сегменты цифрового дисплея. Иллюстрация из патента США 3 863 436: твердотельные кварцевые часы Джека Шварцшильда и Раймонда Боксбергера, Timex. 4 февраля 1975 г., любезно предоставлено Управлением по патентам и товарным знакам США.

В одной из первых форм кварцевого генератора на кристалле кварца было установлено два набора электродов. Первый набор был подключен к входной цепи и подавал электричество на кристалл, заставляя его вибрировать. Когда кристалл вибрировал, он генерировал пьезоэлектрическое напряжение.Это обнаружил второй комплект электродов (заклинило к другой части того же кристалла) и подается на выходную цепь. Когда кварцевая технология была уменьшена для использования в компактных наручных часах, стало ясно, что меньшие размеры Генераторы были необходимы, и не было места для двух пар электродов. Вот почему современные осцилляторы Используйте одну пару электродов как для стимуляции кристалла энергией, так и для обнаружения его колебаний.

Это все, что я вам скажу. Если вы хотите узнать больше, вы можете взглянуть на следующие источники.Имейте в виду, что они сложны, и их трудно понять, если у вас нет некоторых знаний в области электронной техники.

Дополнительная литература

Общий
  • Кварцевый осциллятор: подробное введение из Википедии. Это одна из тех немного сбивающих с толку статей Википедии, которые могут иметь смысл только для людей, которые знают достаточно о предмете, чтобы написать статью. Тем не менее, это разумная отправная точка для дальнейших исследований.
  • Хрустальные часы В.А. Marrison, Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, Vol. 16, No. 7 (15 июля 1930 г.), стр. 496–507. Одна из самых ранних работ по технологии кристаллов кварца, написанная одним из ее пионеров.
История
  • Эволюция кварцевых хрустальных часов Уоррена А. Маррисона, Технический журнал Bell System, Vol. XXVII, pp. 510–588, 1948. Это превосходный, увлекательный, исчерпывающий и подробный документ, излагающий историю кварцевого хронометража.Но учтите, что это сложная статья из технического журнала. [Архивировано через Wayback Machine и доступно в различных других форматах на Интернет-архив.]
  • Современные разработки точных часов А. Л. Лумиса (Лаборатория Лумиса) и В. А. Маррисона, IEE Electrical Engineering, Vol. 51, No. 2, февраль 1932 г. Еще один классический отчет из архивов двух ключевых пионеров. (Статья для подписки загружена в электронном виде в 2013 г.)
  • Варианты и комбинации: изобретение и разработка технологий кварцевых часов в AT&T Шауль Кацир, Icon, Международный комитет истории технологий (ICOHTEC), Vol.22 (2016), стр. 78–114. Подробный взгляд на то, как кварцевые часы были разработаны Уорреном Маррисоном и его коллегами.
Патенты
Рекламные ссылки

Узнать больше

На этом сайте

Книги

  • О времени Адам Франк. Oneworld, 2013. Яркая история часов — от солнечных до квантовых.
  • «Искаженное время», автор — Клаудиа Хаммонд. HarperCollins, 2013. Как мы воспринимаем время — и правда ли, что наше чувство времени «все в уме»? По сути, научно-популярное руководство по психологии времени.
  • История часов Эрика Брутона. Книжные продажи, 2004. Краткое введение в часы, древние и современные.
  • Пип Пип: Взгляд со стороны на время Джея Гриффитса. HarperCollins, 2000. Как мы переживаем время по мере того, как проходит наша жизнь. Оригинальное, наводящее на размышления руководство о том, как время течет в нашей жизни и наоборот.

Статьи

Патенты

Чтобы получить более подробные технические сведения, попробуйте:

  • Патент США 3,863,436: твердотельные кварцевые часы Джека Шварцшильда и Раймонда Боксбергера, Timex.4 февраля 1975 г. Этот относительно простой для понимания патент описывает типичные современные электронные часы с цифровым дисплеем. На рисунке 3 и сопроводительном тексте показано, как сигнал кварцевого генератора 32 768 Гц многократно разделяется микросхемой интегральной схемы на драйверы часов, минут и секунд, которые питают дисплей.
  • Патент США 3 803 828: Подстройка резистора для кварцевого генератора Юджина Киллера и Роберта Шапиро, Timex. 16 апреля 1974 г. В этом более раннем патенте описана типичная схема «подстройки», с помощью которой кварцевый генератор может использоваться для питания часов с высокой точностью.

Пожалуйста, НЕ копируйте наши статьи в блоги и другие сайты

статей с этого сайта зарегистрированы в Бюро регистрации авторских прав США. Копирование или иное использование зарегистрированных работ без разрешения, удаление этого или других уведомлений об авторских правах и / или нарушение смежных прав может привести к серьезным гражданским или уголовным санкциям.

Авторские права на текст © Крис Вудфорд, 2006, 2015. Все права защищены. Полное уведомление об авторских правах и условиях использования.

Подписывайтесь на нас

Сохранить или поделиться этой страницей

Нажмите CTRL + D, чтобы добавить эту страницу в закладки на будущее, или расскажите об этом своим друзьям с помощью:

Цитировать эту страницу

Вудфорд, Крис.(2006/2015) Часы кварцевые. Получено с https://www.explainthatstuff.com/quartzclockwatch.html. [Доступ (укажите дату здесь)]

Больше на нашем сайте …

Как работают кварцевые часы

Как работают кварцевые часы — Объясните, что материал Реклама

Вы можете не верить в астрологию, но Нет никаких сомнений в том, что планеты управляют нашей жизнью.Мы встаем, когда восходит солнце (или когда-нибудь после) и ложитесь спать, когда она схватится. У нас есть календарь на основе дни, месяцы и годы — периоды времени, относящиеся к тому, как Луна и Земля движутся по небу вокруг Солнца. На протяжении большей части истории люди сочли этот вид «астрономического хронометража» достаточно хорошим для их потребности. Но по мере того, как мир становился все более безумным и сложные, люди должны были вести учет часов, минут и секунды, а также дни, месяцы и годы. Это означало, что нам нужно точные способы отсчета времени.Часы с маятником и механические часы раньше были лучшим способом сделать это. Сегодня многие люди используют Кварцевые часы и вместо них часы — но что это такое и как они работают? Работа?

Фото: Кварц действительно дешевый, и часы, которые его используют, почти не нуждаются в каких-либо движущихся частях. Вот почему теперь он используется даже в самых недорогих часах. Поскольку они такие точные и надежные, это очень важный аргумент — вот почему на циферблатах таких часов с гордостью написано слово «кварц».Обратите внимание, что это аналог часы (со стрелками): кварцевые часы и часы не обязательно должны быть цифровыми (иметь числовые дисплеи).

Как работают обычные часы

Все мы знаем, что часы отсчитывают время, но останавливались ли вы когда-нибудь, чтобы подумайте, как это сделать? Наверное, самые простые часы, которые ты мог бы make — это говорящие часы. Если считать секунды, повторяя фразу чтобы сказать (например, «слон», «слон два «,» слоник три «…), вы обнаружите, что умеете красиво держать время точно.Попробуйте сами. Скажите своим слонам от одного до шестидесяти и посмотрите насколько хорошо вы отсчитываете время за минуту по сравнению с часами.

Неплохо, а? Проблема в том, что у большинства из нас есть дела поважнее. день, чем сказать «слон». Вот почему люди изобрели часы. Несколько из в самых ранних часах для измерения времени использовались качающиеся маятники. Маятник — это длинный стержень или гиря на тетиве, которая раскачивается вперед и назад. В 1583 г. итальянский физик Галилео Галилей (1564–1642) обнаружил, что маятнику определенной длины всегда требуется одно и то же время, чтобы повернуться назад и далее, независимо от того, насколько он тяжелый или насколько велики качели.Он понял это, наблюдая, как огромная лампа качается на цепочке из потолок Пизанского собора в Италии, и используя свой пульс, чтобы отсчитывать время его движения назад и вперед. В часах задача маятника — регулировать скорость. шестерен (сцепляющиеся колеса с врезанными в их края зубьями). Шестеренки подсчитывают количество прошедших секунд и преобразуют их в минуты и часы, отображаемые на руках, которые кружат циферблат. Другими словами: шестерни в маятниковых часах действительно просто считать слонов.

Фото: Сила маятника: Этот качающийся стержень (с грузом внизу) — то, что держит время в напольных часах. Это было одно из величайших открытий, которых мы обязаны Галилею.

Вы можете сделать маятниковые часы, привязав груз к нить. Если длина струны составляет около 25 см (10 дюймов), маятник будет качаться вперед и назад примерно раз в секунду. Более короткие строки будут качайте быстрее, а длинные струны медленнее. Проблема с часами вроде это то, что маятник будет останавливаться.Сопротивление воздуха и трение скоро израсходует свою энергию и остановит ее. Вот почему маятниковые часы имеют в себе пружины. Примерно раз в день вы заканчиваете пружина внутри часов, чтобы накапливать потенциальную энергию, чтобы маятник двигался в течение следующих 24 часов. Когда пружина разматывается, она приводит в действие шестерни. внутри часов. С помощью качающегося механизма под названием спусковой механизм , маятник заставляет шестерни вращаться с определенной скоростью — и вот как шестерни держат время. Карманные часы явно слишком малы, чтобы иметь маятник внутри него, поэтому он использует другой механизм.Вместо маятник, у него балансовое колесо , которое сначала поворачивается в одну сторону и затем другой, управляемый спусковым механизмом гораздо меньшего размера, чем тот, что в маятниковые часы.

Подробнее обо всем этом читайте в отдельной статье о маятнике. часы.

Рекламные ссылки

Как работают кварцевые часы

Фото: Кристаллы кварца. Фото любезно предоставлено Геологической службой США.

Проблема с маятниковыми часами и обычными часами в том, что вы не забывайте наматывать их.Если ты забываешь, они останавливаются — а ты понятия не имею, который час. Еще одна трудность с маятниковыми часами заключается в том, что они зависят от силы тяжести, которая очень незначительно меняется от места к месту; это означает, что маятниковые часы показывают время на большой высоте иначе, чем на уровне моря! Маятники также изменяют длину при изменении температуры, немного расширяется в теплые дни и сужается в холодные дни, что делает их менее точными снова.

Все эти проблемы решают кварцевые часы. Они питаются от батареи и, поскольку они используют так мало электричества, батарея часто может прослужить несколько лет, прежде чем вам потребуется ее заменить.К тому же они намного точнее маятниковых часов. Кварцевые часы работают совсем не так, как маятниковые и обычные часы. У них все еще есть шестеренки, чтобы отсчитывать секунды, минуты и часов и проведите стрелками по циферблату. Но шестерни регулируется крошечным кристаллом кварца вместо качающегося маятника или движущееся колесо баланса. Гравитация вообще не фигурирует в работе, поэтому кварцевые часы показывает время, когда вы поднимаетесь на Эверест, и когда вы находитесь в море.

На фото: кварцевый генератор от часов. Вы можете увидеть, насколько он маленький, посмотрев на самую последнюю фотографию на этой странице. Это часть под номером 5 на этом рисунке.

«Кварц» звучит экзотично: буквы «q» и «z» означают, что это отличное слово для игры. Эрудит — но на самом деле это один из самых распространенных полезные ископаемые на Земле. Он сделан из химического соединения, называемого кремнием. диоксид (кремний также является материалом, из которого сделаны компьютерные микросхемы), и вы можете найти его в песке и большинстве типов скал.Возможно, самое интересное в кварце — это то, что он пьезоэлектрический. Это означает, что если вы сожмете кристалл кварца, он образует крошечный электрическое напряжение. Верно и обратное: если вы подаете напряжение на кусок кварца, он вибрирует с определенной частотой (он встряхивается точное количество раз в секунду).

Внутри кварцевых часов батарея передает электричество на кристалл кварца через электронную схему. Кристалл кварца колеблется (колеблется взад и вперед) на точная частота: ровно 32768 раз в секунду.В схема подсчитывает количество вибраций и использует их для генерации регулярные электрические импульсы, один в секунду. Эти импульсы могут питать ЖК-дисплей (показывающий время в цифрах) или они могут приводить в движение небольшой электродвигатель (фактически, крошечный шаговый двигатель), вращая шестерни, которые вращают секундную, минутную и часовую стрелки часов.

Внутри кварцевых часов

По идее работает так:

  1. Батарея обеспечивает ток микросхеме
  2. Схема микрочипа
  3. делает кристалл кварца (точно вырезанный и имеющий форму камертон) колеблется (вибрирует) 32768 раз в секунду.
  4. Схема микрочипа
  5. обнаруживает колебания кристалла и превращает их в регулярные электрические импульсы, один в секунду.
  6. Электроимпульсы приводят в действие миниатюрный шаговый электродвигатель. Это преобразует электрическую энергию в механическую.
  7. Электрический шаговый двигатель вращает шестерни.
  8. Gears водит стрелками по циферблату, чтобы отсчитывать время.

На практике …

А вот так на самом деле выглядит внутренняя часть кварцевых часов. Ни при каких обстоятельствах не разбирайте свой, если вы когда-нибудь захотите, чтобы он снова заработал.Вы не можете увидеть все эти части, просто сняв заднюю крышку часов. Показанные здесь часы поставлялись бесплатно с пачкой кукурузных хлопьев (серьезно!), И они были сломаны, прежде чем я открыл их. Но потом он сломался еще сильнее …

  1. Аккумулятор.
  2. Электродвигатель шаговый.
  3. Микрочип.
  4. Схема соединяет микросхему с другими компонентами.
  5. Кварцевый генератор.
  6. Винт с головкой для установки времени.
  7. Шестерни вращают часовую, минутную и секундную стрелки с разной скоростью.
  8. Крошечный центральный вал удерживает руки на месте.

Почему кварцевые часы вообще выигрывают или теряют время?

Если кварцевые часы настолько удивительны, вы можете задаться вопросом, почему кварцевые часы не отслеживают время с абсолютной точностью вечно. Почему он все еще выигрывает или теряет секунды здесь и там? Ответ в том, что кварц вибрирует с немного другой частотой при разных температурах и давлениях поэтому на его способность вести хронометраж в незначительной степени влияет потепление, охлаждение и постоянно меняющийся мир вокруг нас.Теоретически, если вы все время держите часы на запястье (которое более или менее постоянно температура), он будет держать время лучше, чем если бы вы его включали и выключали (вызывая довольно резкое изменение температуры каждый раз). Но даже если кварцевый кристалл может вибрировать с совершенно постоянной частотой, то, как он установлен в цепи, крошечные дефекты в зубчатой ​​передаче, трении и т. Д. Также могут вносить незначительные ошибки в хронометраж. Всех этих эффектов достаточно, чтобы ввести погрешность до секунды в день в типичных кварцевых часах и наручных часах. (имейте в виду, что секунда, потерянная в один день, может быть компенсирована секундой, полученной на следующий день, поэтому общая точность может быть всего несколько секунд в месяц).

Но как на самом деле работает бит

из кристалла кварца ?

Вы можете найти это достаточное объяснение, и если да, то можете перестать читать сейчас. Ниже приводится более подробное обсуждение того, как кварцевый кварцевый генератор на самом деле работает для тех, кто хочет немного глубже. Я должен предупредить вас, что если у вас нет степени в области электроники инженерные сети, схемы на кристалле кварца очень быстро становятся очень сложными. Я собираюсь дать тебе очень краткая, упрощенная версия того, что происходит, и несколько указателей для дальнейшего чтения, чтобы вы можете копать глубже, если хотите.

Главное, что нужно помнить о кварце, — это то, что он пьезоэлектрический: он будет вибрировать, когда вы приложите к нему электричество, или он будет излучать электричество, когда вы его вибрируете. Генератор на кварцевом кристалле использует пьезоэлектричество обоими способами — одновременно!

То, как я нарисовал свою диаграмму выше, делает вид, будто кристалл кварца отделен от схема микрочипа, но, на самом деле, кристалл является интимной частью этой схемы, подключенной к ней двумя электродами. Их хорошо видно на большом фото внутренней части часов и в фото самого генератора: это две маленькие серебристые ножки, торчащие из цилиндрического металла кейс.По сути, кварцевый генератор — это просто еще один компонент, подключенный к цепи микрочипа, точно так же, как резистор или конденсатор.

Я говорю «схема», но проще представить генератор как часть двух отдельных схем, каждая из которых находится на одном микрочипе. Первая цепь (назовем ее входной) стимулирует кристалл кварца импульсами электричества. Подача электричества в кварц заставляет его вибрировать (или, если хотите, колебаться или резонировать) через то, что иногда называют обратным пьезоэлектрическим эффектом (когда электричество производит вибрации).Генератор настроен так, что кварц колеблется ровно 32768 раз в секунду. Но теперь вспомните обычный пьезоэлектрический эффект: когда кусок кварца вибрирует, он генерирует электрическое напряжение. Вторая схема микрочипа определяет это «выходное напряжение». (колеблется 32768 раз в секунду) и делит свою частоту для получения раз в секунду импульсы, которые приводят в действие двигатель, приводящий в действие шестерни. В часах с цифровым дисплеем вместо шестерен микросхема многократно делит частоту генератора для управления сегментами часов, минут и секунд (как показано на иллюстрации ниже).

Иллюстрация: Как кварцевый осциллятор приводит в действие цифровые часы с отображением часов и минут и мигающим двоеточием между ними («12:32»), указывающим прошедшие секунды. Осциллятор (желтый) вибрирует 32 768 раз в секунду. Двоичный делитель (синий, слева) делит это на два 15 раз (так что 32768 ÷ 2 ÷ 2 ÷ 2 ÷ 2 ÷ 2 ÷ 2 ÷ 2 ÷ 2 ÷ 2 ÷ 2 ÷ 2 ÷ 2 ÷ 2 ÷ 2 ÷ 2 = 1) для создания импульса с частотой 1 Гц (один в секунду), который управляет мигающим двоеточием. Сам сигнал 1 Гц от делителя делится на 60, чтобы получить минуты, и еще на 12, чтобы получить часы.Эти сигналы управляют серией драйверов (красный), которые приводят в действие сегменты цифрового дисплея. Иллюстрация из патента США 3 863 436: твердотельные кварцевые часы Джека Шварцшильда и Раймонда Боксбергера, Timex. 4 февраля 1975 г., любезно предоставлено Управлением по патентам и товарным знакам США.

В одной из первых форм кварцевого генератора на кристалле кварца было установлено два набора электродов. Первый набор был подключен к входной цепи и подавал электричество на кристалл, заставляя его вибрировать. Когда кристалл вибрировал, он генерировал пьезоэлектрическое напряжение.Это обнаружил второй комплект электродов (заклинило к другой части того же кристалла) и подается на выходную цепь. Когда кварцевая технология была уменьшена для использования в компактных наручных часах, стало ясно, что меньшие размеры Генераторы были необходимы, и не было места для двух пар электродов. Вот почему современные осцилляторы Используйте одну пару электродов как для стимуляции кристалла энергией, так и для обнаружения его колебаний.

Это все, что я вам скажу. Если вы хотите узнать больше, вы можете взглянуть на следующие источники.Имейте в виду, что они сложны, и их трудно понять, если у вас нет некоторых знаний в области электронной техники.

Дополнительная литература

Общий
  • Кварцевый осциллятор: подробное введение из Википедии. Это одна из тех немного сбивающих с толку статей Википедии, которые могут иметь смысл только для людей, которые знают достаточно о предмете, чтобы написать статью. Тем не менее, это разумная отправная точка для дальнейших исследований.
  • Хрустальные часы В.А. Marrison, Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, Vol. 16, No. 7 (15 июля 1930 г.), стр. 496–507. Одна из самых ранних работ по технологии кристаллов кварца, написанная одним из ее пионеров.
История
  • Эволюция кварцевых хрустальных часов Уоррена А. Маррисона, Технический журнал Bell System, Vol. XXVII, pp. 510–588, 1948. Это превосходный, увлекательный, исчерпывающий и подробный документ, излагающий историю кварцевого хронометража.Но учтите, что это сложная статья из технического журнала. [Архивировано через Wayback Machine и доступно в различных других форматах на Интернет-архив.]
  • Современные разработки точных часов А. Л. Лумиса (Лаборатория Лумиса) и В. А. Маррисона, IEE Electrical Engineering, Vol. 51, No. 2, февраль 1932 г. Еще один классический отчет из архивов двух ключевых пионеров. (Статья для подписки загружена в электронном виде в 2013 г.)
  • Варианты и комбинации: изобретение и разработка технологий кварцевых часов в AT&T Шауль Кацир, Icon, Международный комитет истории технологий (ICOHTEC), Vol.22 (2016), стр. 78–114. Подробный взгляд на то, как кварцевые часы были разработаны Уорреном Маррисоном и его коллегами.
Патенты
Рекламные ссылки

Узнать больше

На этом сайте

Книги

  • О времени Адам Франк. Oneworld, 2013. Яркая история часов — от солнечных до квантовых.
  • «Искаженное время», автор — Клаудиа Хаммонд. HarperCollins, 2013. Как мы воспринимаем время — и правда ли, что наше чувство времени «все в уме»? По сути, научно-популярное руководство по психологии времени.
  • История часов Эрика Брутона. Книжные продажи, 2004. Краткое введение в часы, древние и современные.
  • Пип Пип: Взгляд со стороны на время Джея Гриффитса. HarperCollins, 2000. Как мы переживаем время по мере того, как проходит наша жизнь. Оригинальное, наводящее на размышления руководство о том, как время течет в нашей жизни и наоборот.

Статьи

Патенты

Чтобы получить более подробные технические сведения, попробуйте:

  • Патент США 3,863,436: твердотельные кварцевые часы Джека Шварцшильда и Раймонда Боксбергера, Timex.4 февраля 1975 г. Этот относительно простой для понимания патент описывает типичные современные электронные часы с цифровым дисплеем. На рисунке 3 и сопроводительном тексте показано, как сигнал кварцевого генератора 32 768 Гц многократно разделяется микросхемой интегральной схемы на драйверы часов, минут и секунд, которые питают дисплей.
  • Патент США 3 803 828: Подстройка резистора для кварцевого генератора Юджина Киллера и Роберта Шапиро, Timex. 16 апреля 1974 г. В этом более раннем патенте описана типичная схема «подстройки», с помощью которой кварцевый генератор может использоваться для питания часов с высокой точностью.

Пожалуйста, НЕ копируйте наши статьи в блоги и другие сайты

статей с этого сайта зарегистрированы в Бюро регистрации авторских прав США. Копирование или иное использование зарегистрированных работ без разрешения, удаление этого или других уведомлений об авторских правах и / или нарушение смежных прав может привести к серьезным гражданским или уголовным санкциям.

Авторские права на текст © Крис Вудфорд, 2006, 2015. Все права защищены. Полное уведомление об авторских правах и условиях использования.

Подписывайтесь на нас

Сохранить или поделиться этой страницей

Нажмите CTRL + D, чтобы добавить эту страницу в закладки на будущее, или расскажите об этом своим друзьям с помощью:

Цитировать эту страницу

Вудфорд, Крис.(2006/2015) Часы кварцевые. Получено с https://www.explainthatstuff.com/quartzclockwatch.html. [Доступ (укажите дату здесь)]

Больше на нашем сайте …

Как работают кварцевые часы

Как работают кварцевые часы — Объясните, что материал Реклама

Вы можете не верить в астрологию, но Нет никаких сомнений в том, что планеты управляют нашей жизнью.Мы встаем, когда восходит солнце (или когда-нибудь после) и ложитесь спать, когда она схватится. У нас есть календарь на основе дни, месяцы и годы — периоды времени, относящиеся к тому, как Луна и Земля движутся по небу вокруг Солнца. На протяжении большей части истории люди сочли этот вид «астрономического хронометража» достаточно хорошим для их потребности. Но по мере того, как мир становился все более безумным и сложные, люди должны были вести учет часов, минут и секунды, а также дни, месяцы и годы. Это означало, что нам нужно точные способы отсчета времени.Часы с маятником и механические часы раньше были лучшим способом сделать это. Сегодня многие люди используют Кварцевые часы и вместо них часы — но что это такое и как они работают? Работа?

Фото: Кварц действительно дешевый, и часы, которые его используют, почти не нуждаются в каких-либо движущихся частях. Вот почему теперь он используется даже в самых недорогих часах. Поскольку они такие точные и надежные, это очень важный аргумент — вот почему на циферблатах таких часов с гордостью написано слово «кварц».Обратите внимание, что это аналог часы (со стрелками): кварцевые часы и часы не обязательно должны быть цифровыми (иметь числовые дисплеи).

Как работают обычные часы

Все мы знаем, что часы отсчитывают время, но останавливались ли вы когда-нибудь, чтобы подумайте, как это сделать? Наверное, самые простые часы, которые ты мог бы make — это говорящие часы. Если считать секунды, повторяя фразу чтобы сказать (например, «слон», «слон два «,» слоник три «…), вы обнаружите, что умеете красиво держать время точно.Попробуйте сами. Скажите своим слонам от одного до шестидесяти и посмотрите насколько хорошо вы отсчитываете время за минуту по сравнению с часами.

Неплохо, а? Проблема в том, что у большинства из нас есть дела поважнее. день, чем сказать «слон». Вот почему люди изобрели часы. Несколько из в самых ранних часах для измерения времени использовались качающиеся маятники. Маятник — это длинный стержень или гиря на тетиве, которая раскачивается вперед и назад. В 1583 г. итальянский физик Галилео Галилей (1564–1642) обнаружил, что маятнику определенной длины всегда требуется одно и то же время, чтобы повернуться назад и далее, независимо от того, насколько он тяжелый или насколько велики качели.Он понял это, наблюдая, как огромная лампа качается на цепочке из потолок Пизанского собора в Италии, и используя свой пульс, чтобы отсчитывать время его движения назад и вперед. В часах задача маятника — регулировать скорость. шестерен (сцепляющиеся колеса с врезанными в их края зубьями). Шестеренки подсчитывают количество прошедших секунд и преобразуют их в минуты и часы, отображаемые на руках, которые кружат циферблат. Другими словами: шестерни в маятниковых часах действительно просто считать слонов.

Фото: Сила маятника: Этот качающийся стержень (с грузом внизу) — то, что держит время в напольных часах. Это было одно из величайших открытий, которых мы обязаны Галилею.

Вы можете сделать маятниковые часы, привязав груз к нить. Если длина струны составляет около 25 см (10 дюймов), маятник будет качаться вперед и назад примерно раз в секунду. Более короткие строки будут качайте быстрее, а длинные струны медленнее. Проблема с часами вроде это то, что маятник будет останавливаться.Сопротивление воздуха и трение скоро израсходует свою энергию и остановит ее. Вот почему маятниковые часы имеют в себе пружины. Примерно раз в день вы заканчиваете пружина внутри часов, чтобы накапливать потенциальную энергию, чтобы маятник двигался в течение следующих 24 часов. Когда пружина разматывается, она приводит в действие шестерни. внутри часов. С помощью качающегося механизма под названием спусковой механизм , маятник заставляет шестерни вращаться с определенной скоростью — и вот как шестерни держат время. Карманные часы явно слишком малы, чтобы иметь маятник внутри него, поэтому он использует другой механизм.Вместо маятник, у него балансовое колесо , которое сначала поворачивается в одну сторону и затем другой, управляемый спусковым механизмом гораздо меньшего размера, чем тот, что в маятниковые часы.

Подробнее обо всем этом читайте в отдельной статье о маятнике. часы.

Рекламные ссылки

Как работают кварцевые часы

Фото: Кристаллы кварца. Фото любезно предоставлено Геологической службой США.

Проблема с маятниковыми часами и обычными часами в том, что вы не забывайте наматывать их.Если ты забываешь, они останавливаются — а ты понятия не имею, который час. Еще одна трудность с маятниковыми часами заключается в том, что они зависят от силы тяжести, которая очень незначительно меняется от места к месту; это означает, что маятниковые часы показывают время на большой высоте иначе, чем на уровне моря! Маятники также изменяют длину при изменении температуры, немного расширяется в теплые дни и сужается в холодные дни, что делает их менее точными снова.

Все эти проблемы решают кварцевые часы. Они питаются от батареи и, поскольку они используют так мало электричества, батарея часто может прослужить несколько лет, прежде чем вам потребуется ее заменить.К тому же они намного точнее маятниковых часов. Кварцевые часы работают совсем не так, как маятниковые и обычные часы. У них все еще есть шестеренки, чтобы отсчитывать секунды, минуты и часов и проведите стрелками по циферблату. Но шестерни регулируется крошечным кристаллом кварца вместо качающегося маятника или движущееся колесо баланса. Гравитация вообще не фигурирует в работе, поэтому кварцевые часы показывает время, когда вы поднимаетесь на Эверест, и когда вы находитесь в море.

На фото: кварцевый генератор от часов. Вы можете увидеть, насколько он маленький, посмотрев на самую последнюю фотографию на этой странице. Это часть под номером 5 на этом рисунке.

«Кварц» звучит экзотично: буквы «q» и «z» означают, что это отличное слово для игры. Эрудит — но на самом деле это один из самых распространенных полезные ископаемые на Земле. Он сделан из химического соединения, называемого кремнием. диоксид (кремний также является материалом, из которого сделаны компьютерные микросхемы), и вы можете найти его в песке и большинстве типов скал.Возможно, самое интересное в кварце — это то, что он пьезоэлектрический. Это означает, что если вы сожмете кристалл кварца, он образует крошечный электрическое напряжение. Верно и обратное: если вы подаете напряжение на кусок кварца, он вибрирует с определенной частотой (он встряхивается точное количество раз в секунду).

Внутри кварцевых часов батарея передает электричество на кристалл кварца через электронную схему. Кристалл кварца колеблется (колеблется взад и вперед) на точная частота: ровно 32768 раз в секунду.В схема подсчитывает количество вибраций и использует их для генерации регулярные электрические импульсы, один в секунду. Эти импульсы могут питать ЖК-дисплей (показывающий время в цифрах) или они могут приводить в движение небольшой электродвигатель (фактически, крошечный шаговый двигатель), вращая шестерни, которые вращают секундную, минутную и часовую стрелки часов.

Внутри кварцевых часов

По идее работает так:

  1. Батарея обеспечивает ток микросхеме
  2. Схема микрочипа
  3. делает кристалл кварца (точно вырезанный и имеющий форму камертон) колеблется (вибрирует) 32768 раз в секунду.
  4. Схема микрочипа
  5. обнаруживает колебания кристалла и превращает их в регулярные электрические импульсы, один в секунду.
  6. Электроимпульсы приводят в действие миниатюрный шаговый электродвигатель. Это преобразует электрическую энергию в механическую.
  7. Электрический шаговый двигатель вращает шестерни.
  8. Gears водит стрелками по циферблату, чтобы отсчитывать время.

На практике …

А вот так на самом деле выглядит внутренняя часть кварцевых часов. Ни при каких обстоятельствах не разбирайте свой, если вы когда-нибудь захотите, чтобы он снова заработал.Вы не можете увидеть все эти части, просто сняв заднюю крышку часов. Показанные здесь часы поставлялись бесплатно с пачкой кукурузных хлопьев (серьезно!), И они были сломаны, прежде чем я открыл их. Но потом он сломался еще сильнее …

  1. Аккумулятор.
  2. Электродвигатель шаговый.
  3. Микрочип.
  4. Схема соединяет микросхему с другими компонентами.
  5. Кварцевый генератор.
  6. Винт с головкой для установки времени.
  7. Шестерни вращают часовую, минутную и секундную стрелки с разной скоростью.
  8. Крошечный центральный вал удерживает руки на месте.

Почему кварцевые часы вообще выигрывают или теряют время?

Если кварцевые часы настолько удивительны, вы можете задаться вопросом, почему кварцевые часы не отслеживают время с абсолютной точностью вечно. Почему он все еще выигрывает или теряет секунды здесь и там? Ответ в том, что кварц вибрирует с немного другой частотой при разных температурах и давлениях поэтому на его способность вести хронометраж в незначительной степени влияет потепление, охлаждение и постоянно меняющийся мир вокруг нас.Теоретически, если вы все время держите часы на запястье (которое более или менее постоянно температура), он будет держать время лучше, чем если бы вы его включали и выключали (вызывая довольно резкое изменение температуры каждый раз). Но даже если кварцевый кристалл может вибрировать с совершенно постоянной частотой, то, как он установлен в цепи, крошечные дефекты в зубчатой ​​передаче, трении и т. Д. Также могут вносить незначительные ошибки в хронометраж. Всех этих эффектов достаточно, чтобы ввести погрешность до секунды в день в типичных кварцевых часах и наручных часах. (имейте в виду, что секунда, потерянная в один день, может быть компенсирована секундой, полученной на следующий день, поэтому общая точность может быть всего несколько секунд в месяц).

Но как на самом деле работает бит

из кристалла кварца ?

Вы можете найти это достаточное объяснение, и если да, то можете перестать читать сейчас. Ниже приводится более подробное обсуждение того, как кварцевый кварцевый генератор на самом деле работает для тех, кто хочет немного глубже. Я должен предупредить вас, что если у вас нет степени в области электроники инженерные сети, схемы на кристалле кварца очень быстро становятся очень сложными. Я собираюсь дать тебе очень краткая, упрощенная версия того, что происходит, и несколько указателей для дальнейшего чтения, чтобы вы можете копать глубже, если хотите.

Главное, что нужно помнить о кварце, — это то, что он пьезоэлектрический: он будет вибрировать, когда вы приложите к нему электричество, или он будет излучать электричество, когда вы его вибрируете. Генератор на кварцевом кристалле использует пьезоэлектричество обоими способами — одновременно!

То, как я нарисовал свою диаграмму выше, делает вид, будто кристалл кварца отделен от схема микрочипа, но, на самом деле, кристалл является интимной частью этой схемы, подключенной к ней двумя электродами. Их хорошо видно на большом фото внутренней части часов и в фото самого генератора: это две маленькие серебристые ножки, торчащие из цилиндрического металла кейс.По сути, кварцевый генератор — это просто еще один компонент, подключенный к цепи микрочипа, точно так же, как резистор или конденсатор.

Я говорю «схема», но проще представить генератор как часть двух отдельных схем, каждая из которых находится на одном микрочипе. Первая цепь (назовем ее входной) стимулирует кристалл кварца импульсами электричества. Подача электричества в кварц заставляет его вибрировать (или, если хотите, колебаться или резонировать) через то, что иногда называют обратным пьезоэлектрическим эффектом (когда электричество производит вибрации).Генератор настроен так, что кварц колеблется ровно 32768 раз в секунду. Но теперь вспомните обычный пьезоэлектрический эффект: когда кусок кварца вибрирует, он генерирует электрическое напряжение. Вторая схема микрочипа определяет это «выходное напряжение». (колеблется 32768 раз в секунду) и делит свою частоту для получения раз в секунду импульсы, которые приводят в действие двигатель, приводящий в действие шестерни. В часах с цифровым дисплеем вместо шестерен микросхема многократно делит частоту генератора для управления сегментами часов, минут и секунд (как показано на иллюстрации ниже).

Иллюстрация: Как кварцевый осциллятор приводит в действие цифровые часы с отображением часов и минут и мигающим двоеточием между ними («12:32»), указывающим прошедшие секунды. Осциллятор (желтый) вибрирует 32 768 раз в секунду. Двоичный делитель (синий, слева) делит это на два 15 раз (так что 32768 ÷ 2 ÷ 2 ÷ 2 ÷ 2 ÷ 2 ÷ 2 ÷ 2 ÷ 2 ÷ 2 ÷ 2 ÷ 2 ÷ 2 ÷ 2 ÷ 2 ÷ 2 = 1) для создания импульса с частотой 1 Гц (один в секунду), который управляет мигающим двоеточием. Сам сигнал 1 Гц от делителя делится на 60, чтобы получить минуты, и еще на 12, чтобы получить часы.Эти сигналы управляют серией драйверов (красный), которые приводят в действие сегменты цифрового дисплея. Иллюстрация из патента США 3 863 436: твердотельные кварцевые часы Джека Шварцшильда и Раймонда Боксбергера, Timex. 4 февраля 1975 г., любезно предоставлено Управлением по патентам и товарным знакам США.

В одной из первых форм кварцевого генератора на кристалле кварца было установлено два набора электродов. Первый набор был подключен к входной цепи и подавал электричество на кристалл, заставляя его вибрировать. Когда кристалл вибрировал, он генерировал пьезоэлектрическое напряжение.Это обнаружил второй комплект электродов (заклинило к другой части того же кристалла) и подается на выходную цепь. Когда кварцевая технология была уменьшена для использования в компактных наручных часах, стало ясно, что меньшие размеры Генераторы были необходимы, и не было места для двух пар электродов. Вот почему современные осцилляторы Используйте одну пару электродов как для стимуляции кристалла энергией, так и для обнаружения его колебаний.

Это все, что я вам скажу. Если вы хотите узнать больше, вы можете взглянуть на следующие источники.Имейте в виду, что они сложны, и их трудно понять, если у вас нет некоторых знаний в области электронной техники.

Дополнительная литература

Общий
  • Кварцевый осциллятор: подробное введение из Википедии. Это одна из тех немного сбивающих с толку статей Википедии, которые могут иметь смысл только для людей, которые знают достаточно о предмете, чтобы написать статью. Тем не менее, это разумная отправная точка для дальнейших исследований.
  • Хрустальные часы В.А. Marrison, Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, Vol. 16, No. 7 (15 июля 1930 г.), стр. 496–507. Одна из самых ранних работ по технологии кристаллов кварца, написанная одним из ее пионеров.
История
  • Эволюция кварцевых хрустальных часов Уоррена А. Маррисона, Технический журнал Bell System, Vol. XXVII, pp. 510–588, 1948. Это превосходный, увлекательный, исчерпывающий и подробный документ, излагающий историю кварцевого хронометража.Но учтите, что это сложная статья из технического журнала. [Архивировано через Wayback Machine и доступно в различных других форматах на Интернет-архив.]
  • Современные разработки точных часов А. Л. Лумиса (Лаборатория Лумиса) и В. А. Маррисона, IEE Electrical Engineering, Vol. 51, No. 2, февраль 1932 г. Еще один классический отчет из архивов двух ключевых пионеров. (Статья для подписки загружена в электронном виде в 2013 г.)
  • Варианты и комбинации: изобретение и разработка технологий кварцевых часов в AT&T Шауль Кацир, Icon, Международный комитет истории технологий (ICOHTEC), Vol.22 (2016), стр. 78–114. Подробный взгляд на то, как кварцевые часы были разработаны Уорреном Маррисоном и его коллегами.
Патенты
Рекламные ссылки

Узнать больше

На этом сайте

Книги

  • О времени Адам Франк. Oneworld, 2013. Яркая история часов — от солнечных до квантовых.
  • «Искаженное время», автор — Клаудиа Хаммонд. HarperCollins, 2013. Как мы воспринимаем время — и правда ли, что наше чувство времени «все в уме»? По сути, научно-популярное руководство по психологии времени.
  • История часов Эрика Брутона. Книжные продажи, 2004. Краткое введение в часы, древние и современные.
  • Пип Пип: Взгляд со стороны на время Джея Гриффитса. HarperCollins, 2000. Как мы переживаем время по мере того, как проходит наша жизнь. Оригинальное, наводящее на размышления руководство о том, как время течет в нашей жизни и наоборот.

Статьи

Патенты

Чтобы получить более подробные технические сведения, попробуйте:

  • Патент США 3,863,436: твердотельные кварцевые часы Джека Шварцшильда и Раймонда Боксбергера, Timex.4 февраля 1975 г. Этот относительно простой для понимания патент описывает типичные современные электронные часы с цифровым дисплеем. На рисунке 3 и сопроводительном тексте показано, как сигнал кварцевого генератора 32 768 Гц многократно разделяется микросхемой интегральной схемы на драйверы часов, минут и секунд, которые питают дисплей.
  • Патент США 3 803 828: Подстройка резистора для кварцевого генератора Юджина Киллера и Роберта Шапиро, Timex. 16 апреля 1974 г. В этом более раннем патенте описана типичная схема «подстройки», с помощью которой кварцевый генератор может использоваться для питания часов с высокой точностью.

Пожалуйста, НЕ копируйте наши статьи в блоги и другие сайты

статей с этого сайта зарегистрированы в Бюро регистрации авторских прав США. Копирование или иное использование зарегистрированных работ без разрешения, удаление этого или других уведомлений об авторских правах и / или нарушение смежных прав может привести к серьезным гражданским или уголовным санкциям.

Авторские права на текст © Крис Вудфорд, 2006, 2015. Все права защищены. Полное уведомление об авторских правах и условиях использования.

Подписывайтесь на нас

Сохранить или поделиться этой страницей

Нажмите CTRL + D, чтобы добавить эту страницу в закладки на будущее, или расскажите об этом своим друзьям с помощью:

Цитировать эту страницу

Вудфорд, Крис.(2006/2015) Часы кварцевые. Получено с https://www.explainthatstuff.com/quartzclockwatch.html. [Доступ (укажите дату здесь)]

Больше на нашем сайте …

Как работают кварцевые часы | HowStuffWorks

Проблем с выбором элемента времени не возникло. Кристалл кварца, возможно, в тысячи раз лучше для измерения времени, чем камертон, а кристаллы кварца существуют уже много лет. Необходимо было выбрать только тип и частоту кристалла.Трудность заключалась в выборе технологии интегральной схемы, которая работала бы при достаточно малой мощности .

Кристаллы кварца регулярно используются в течение многих лет для определения точной частоты для всех радиопередатчиков, радиоприемников и компьютеров. Их точность обусловлена ​​удивительным набором совпадений: кварц, который представляет собой диоксида кремния и , как и большинство песка, не подвержен влиянию большинства растворителей и остается кристаллическим до сотен градусов по Фаренгейту.Свойство, которое делает его электронным чудом, заключается в том, что при сжатии или изгибе он генерирует на своей поверхности заряд или напряжение . Это довольно распространенное явление, называемое Пьезоэлектрический эффект . Точно так же, если приложить напряжение, кварц будет очень немного гнуться или изменить свою форму.

Если бы колокол был сформирован путем измельчения монокристалла кварца, он бы звенел в течение нескольких минут после удара по нему. Материал практически не теряет энергии.Кварцевый колокол — если он сформирован в правильном направлении по отношению к оси кристалла — будет иметь колебательное напряжение на своей поверхности, и скорость колебаний не зависит от температуры. Если поверхностное напряжение на кристалле снимается с помощью покрытых электродов и усиливается транзистором или интегральной схемой, его можно повторно приложить к звонку, чтобы он продолжал звонить.

Можно сделать кварцевый колокол, но это не лучшая форма, потому что с воздухом передается слишком много энергии. Лучшие формы — это прямой стержень или диск .Преимущество полосы в том, что она сохраняет ту же частоту, при условии, что отношение длины к ширине остается неизменным. Кварцевый стержень может быть крошечным и колебаться с относительно низкой частотой — 32 килогерца (кГц) обычно выбирают для часов не только из-за размера, но и потому, что схемы, которые делятся от частоты кристалла до нескольких импульсов в секунду для часов дисплею требуется больше мощности для более высоких частот. Электроэнергия была большой проблемой для первых часов, и швейцарцы потратили миллионы, пытаясь внедрить технологию интегральных схем, чтобы разделить частоту от 1 до 2 МГц, генерируемую более стабильными дисковыми кристаллами.

В современных кварцевых часах теперь используется низкочастотный стержень или кристалл в форме камертона. Часто эти кристаллы состоят из тонких листов кварца, покрытых наподобие интегральной схемы и подвергнутых химическому травлению для придания формы. Основное различие между хорошим и индифферентным хронометрированием заключается в точности начальной частоты и точности угла среза кварцевого листа относительно оси кристалла. Количество загрязнения , которое может пройти через инкапсуляцию на поверхность кристалла внутри часов, также может повлиять на точность.

Электроника часов изначально усиливает шум на кварцевой частоте. Это создает или регенерирует в колебание — оно запускает звон кристалла. Затем выходной сигнал кварцевого генератора часов преобразуется в импульсы, подходящие для цифровых схем. Они делят частоту кристалла вниз и затем переводят ее в правильный формат для отображения. (См. «Как работают цифровые часы», где подробно обсуждаются делители и драйверы дисплея.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *