Как работают кварцевые часы: пьезоэффект, генератор и электронный делитель
Кварцевые часы работают на основе пьезоэффекта: тонкий кристалл кварца, к которому приложено переменное электрическое напряжение, начинает механически колебаться с точной резонансной частотой 32 768 Гц. Электронная схема подсчитывает эти колебания, делит их на два пятнадцать раз подряд и получает ровно один импульс в секунду, который приводит в движение шаговый двигатель или жидкокристаллический дисплей.
Пьезоэлектрический резонатор: сердце механизма
Кварцевый резонатор вырезается из синтетического монокристалла кремнезёма в форме камертона высотой около 3 мм. Угол среза кристалла строго выдержан: при температуре около 25 °С резонансная частота камертона составляет ровно 32 768 Гц. Эта частота выбрана не случайно: она равна двум в степени пятнадцать, что позволяет делить её ровно пополам 15 раз и получить 1 Гц без остатка. Отклонение частоты реального резонатора от эталонной не превышает плюс-минус 20 ppm (20 миллионных долей), что соответствует погрешности не более одной минуты в месяц в бытовых часах.
На поверхность кристалла напыляются два металлических электрода. Когда генератор подаёт переменное напряжение, кристалл механически деформируется с частотой электрического сигнала. Как только частота совпадает с резонансной, амплитуда колебаний резко возрастает и потребление тока падает до минимума. Именно это свойство резонатора удерживает генератор строго на нужной частоте.
Генератор и делитель частоты
Кольцевой CMOS-генератор на микросхеме подхватывает собственные колебания кварцевого кристалла и поддерживает их, компенсируя потери. Потребляемый ток при этом не превышает 1–3 мкА, что обеспечивает работу от одной батарейки типа SR626 в течение 3–5 лет. Сигнал с генератора поступает в делитель частоты: последовательная цепочка из 15 триггеров-делителей на два преобразует 32 768 Гц сначала в 16 384, затем в 8 192 и так далее, пока на выходе не появляется один импульс в секунду.
В аналоговых часах этот секундный импульс управляет шаговым двигателем: катушка получает короткий всплеск тока, ротор поворачивается ровно на один шаг (360 градусов для секундной стрелки через трибы шестерёнок), а затем система затихает до следующего импульса. Минутная и часовая стрелки соединены с секундным механизмом через понижающую зубчатую передачу с передаточными числами 1:60 и 1:720.
Цифровые кварцевые часы и термокомпенсация
В цифровых часах секундный импульс подаётся напрямую в счётчики секунд, минут и часов, которые управляют сегментами жидкокристаллического дисплея. Дополнительные делители позволяют формировать частоту подсветки ЖК-матрицы, сигнал будильника и синхронизацию с внешними источниками времени.
В точных кварцевых часах и профессиональных приборах применяется термокомпенсация: встроенный термистор измеряет температуру резонатора и подстраивает частоту генератора с помощью варикапа или программируемой коррекции. Такие часы дают уход не более 1–2 секунд в месяц. Термостатированные кварцевые генераторы, применяемые в телекоммуникационном оборудовании российских операторов связи, поддерживают кристалл при температуре 70–75 °С и обеспечивают стабильность лучше 0,01 ppm.
Почему кварц вытеснил механику
Механические часы отсчитывают время от колебаний маятника или баланс-колеса с частотой 2,5–10 Гц. Их точность ограничена трением, температурным расширением пружины и ориентацией в пространстве: нормальный суточный ход составляет плюс-минус 10–30 секунд. Кварцевый резонатор при той же стоимости даёт на три порядка меньший уход и не требует ни завода, ни регулярного обслуживания. Именно поэтому после появления кварцевых часов в конце 1960-х годов они заняли массовый рынок, а механика осталась в сегменте коллекционных изделий.
