Zegar kwarcowy - Quartz clock

Podstawowy analogowy zegar kwarcowy

Zegary kwarcowe i zegarki kwarcowe to zegarki, które wykorzystują elektroniczny oscylator regulowany kryształem kwarcu, aby zachować czas. Ten oscylator kwarcowy wytwarza sygnał o bardzo precyzyjnej częstotliwości , dzięki czemu zegary kwarcowe i zegarki są co najmniej o rząd wielkości dokładniejsze niż zegary mechaniczne . Ogólnie rzecz biorąc, pewna forma cyfrowej logiki zlicza cykle tego sygnału i zapewnia numeryczny wyświetlacz czasu , zwykle w jednostkach godzin, minut i sekund.

Od lat 80. XX wieku, kiedy pojawienie się półprzewodnikowej elektroniki cyfrowej pozwoliło na uczynienie ich kompaktowymi i niedrogimi, zegary kwarcowe stały się najczęściej stosowaną technologią pomiaru czasu na świecie, stosowaną w większości zegarów i zegarków, a także w komputerach i innych urządzeniach, które przechowują czas .

Wyjaśnienie

Zdemontowany analogowy mechanizm kwarcowy; zegar czasu rzeczywistego (RTC) oscylator kwarcowy (u góry po lewej), silnik krokowy typu Lavet (po lewej) z czarną zębatką wirnika i podłączonymi białymi i przezroczystymi kołami zębatymi (po prawej). Te koła zębate kontrolują ruch wskazówki sekundowej, minutowej i godzinowej.
Podstawowy mechanizm zegarka kwarcowego. Na dole po prawej: kwarcowy oscylator kwarcowy , w lewo: Przycisk baterii zegarek komórka, w prawym górnym rogu: licznik oscylatora, cyfrowy dzielnik częstotliwości i sterownik dla silnik krokowy, top lewej: cewka z silnikiem krokowym , który napędza ręce zegarek.

Chemicznie kwarc jest specyficzną formą związku zwanego dwutlenkiem krzemu . Wiele materiałów można uformować w płyty, które będą rezonować . Jednak kwarc jest również materiałem piezoelektrycznym : to znaczy, gdy kryształ kwarcu jest poddawany naprężeniom mechanicznym, takim jak zginanie, gromadzi ładunek elektryczny w niektórych płaszczyznach. W odwrotnym efekcie, jeśli ładunki zostaną umieszczone w poprzek płaszczyzny kryształu, kryształy kwarcu ulegną wygięciu. Ponieważ kwarc może być bezpośrednio napędzany (zginać) sygnałem elektrycznym, nie jest wymagany dodatkowy przetwornik, aby użyć go w rezonatorze . Podobne kryształy są używane we wkładkach gramofonowych z niższej półki : ruch igły (igły) wygina kryształ kwarcu, który wytwarza niewielkie napięcie, które jest wzmacniane i odtwarzane przez głośniki. Mikrofony kwarcowe są nadal dostępne, choć nie są powszechne.

Kwarc ma kolejną zaletę polegającą na tym, że jego rozmiar nie zmienia się zbytnio wraz ze zmianami temperatury . Topiony kwarc jest często używany w sprzęcie laboratoryjnym, który nie może zmieniać kształtu wraz z temperaturą. Częstotliwość rezonansowa płyty kwarcowej, w zależności od jej rozmiaru, nie wzrośnie ani nie spadnie. Podobnie, ponieważ jego rezonator nie zmienia kształtu, zegar kwarcowy pozostaje stosunkowo dokładny, gdy zmienia się temperatura.

Na początku XX wieku radiotechnicy poszukiwali precyzyjnego, stabilnego źródła częstotliwości radiowych i zaczęli od rezonatorów stalowych. Kiedy jednak Walter Guyton Cady odkrył, że kwarc może rezonować przy mniejszej ilości sprzętu i lepszej stabilności temperaturowej, rezonatory stalowe zniknęły w ciągu kilku lat. Później naukowcy z Narodowego Instytutu Standardów i Technologii (wówczas Narodowego Biura Standardów USA) odkryli, że oscylator kwarcowy może być dokładniejszy niż zegar wahadłowy .

Obwód elektroniczny jest oscylatorem , wzmacniaczem, którego wyjście przechodzi przez rezonator kwarcowy. Rezonator działa jak filtr elektroniczny , eliminując wszystkie częstotliwości poza pojedynczą. Wyjście rezonatora jest sprzężone z wejściem wzmacniacza, a rezonator zapewnia, że ​​oscylator „wyje” z dokładną częstotliwością będącą przedmiotem zainteresowania. Gdy obwód jest zasilany, pojedynczy impuls szumu strzałowego (zawsze obecny w obwodach elektronicznych) może kaskadowo wprowadzić oscylator w drgania z żądaną częstotliwością. Gdyby wzmacniacz był idealnie pozbawiony szumów, oscylator by się nie uruchomił.

Częstotliwość, z jaką kryształ oscyluje, zależy od jego kształtu, wielkości i płaszczyzny kryształu, na której cięty jest kwarc. Pozycje, w których umieszczone są elektrody, również mogą nieznacznie zmienić strojenie. Jeśli kryształ jest dokładnie ukształtowany i ustawiony, będzie oscylował z pożądaną częstotliwością. W prawie wszystkich zegarkach kwarcowych częstotliwość wynosi32 768  Hz , a kryształ jest cięty w kształcie małego kamertonu na określonej płaszczyźnie kryształu. Ta częstotliwość jest potęgą dwójki (32 768 = 2 15 ), wystarczająco wysoki, aby przekroczyć zakres ludzkiego słuchu , ale wystarczająco niski, aby utrzymać zużycie energii elektrycznej na skromnym poziomie i umożliwić niedrogim licznikom uzyskanie 1-sekundowego impulsu. Wyjście linii danych z takiego rezonatora kwarcowego idzie w górę i w dół32 768 razy na sekundę. Jest on podawany do przerzutnika (który jest zasadniczo dwoma tranzystorami z niewielkim połączeniem krzyżowym), który zmienia się z niskiego na wysoki lub odwrotnie, gdy linia z kryształu przechodzi z wysokiego na niski. Wyjście z tego jest podawane do drugiego przerzutnika i tak dalej przez łańcuch 15 przerzutników, z których każdy działa jako efektywna moc dzielnika częstotliwości 2 , dzieląc częstotliwość sygnału wejściowego przez 2. Wynik to 15-bitowy binarny licznik cyfrowy sterowany częstotliwością, która przepełnia się raz na sekundę, tworząc impuls cyfrowy raz na sekundę. Impulsów na sekundę wyjściowy może być wykorzystywany do napędzania różnego rodzaju zegarów. W analogowych zegarach kwarcowych i zegarkach na rękę elektryczny impuls na sekundę jest prawie zawsze przekazywany do silnika krokowego typu Lavet, który przekształca elektroniczne impulsy wejściowe z jednostki zliczającej przerzutniki w wyjście mechaniczne, które można wykorzystać do poruszania rękami. Zegary kwarcowe i zegarki kwarcowe mogą generować impulsy cyfrowe częściej niż raz na sekundę, napędzać analogową wskazówkę sekundową z większą mocą 2 niż raz na sekundę, ale zużycie energii elektrycznej (zużycie baterii) odpowiednio wzrasta, ponieważ jakakolwiek aktywacja silnika krokowego kosztuje energię, co sprawia, że ​​takie ruchy kwarcu są stosunkowo rzadkie.

Mechanizm

Zdjęcie rezonatora kwarcowego, używanego jako element pomiaru czasu w zegarkach kwarcowych i ze zdjętą obudową. Ma kształt kamertonu. Większość takich kwarcowych kryształów zegarowych wibruje z częstotliwością32 768  Hz .

W nowoczesnych zegarach kwarcowych o standardowej jakości rezonator kwarcowy lub oscylator ma kształt małego kamertonu ( wycinany XY ), laserowo przycinany lub precyzyjnie docierany, aby wibrować przy32 768  Hz . Częstotliwość ta wynosi 2 15 cykli na sekundę. Moc 2 jest wybierana tak, aby prosty łańcuch cyfrowych etapów dzielenia przez 2 mógł uzyskać sygnał 1 Hz potrzebny do sterowania sekundnikiem zegarka. W większości zegarów rezonator znajduje się w małej puszce lub płaskiej obudowie o długości około 4 mm. tenRezonator 32 768  Hz stał się tak powszechny ze względu na kompromis między dużym fizycznym rozmiarem kryształów niskiej częstotliwości w zegarkach a dużym poborem prądu kryształów wysokiej częstotliwości , co zmniejsza żywotność baterii zegarka .

Podstawowy wzór na obliczenie częstotliwości podstawowej ( f ) drgań wspornika w funkcji jego wymiarów (przekrój kwadratowy) to:

gdzie

1.875104 (zaokrąglone) to najmniejsze dodatnie rozwiązanie równania cos( x ) cosh( x ) = −1,
l to długość wspornika,
a jest jego grubością wzdłuż kierunku ruchu,
E jest jego modułem Younga ,
ρ jest jego gęstością .

Wspornik wykonany z kwarcu ( E = 10 11  N / m, 2 = 100  GPa i ρ = 2634  kilogramy / m 3 ), o długości 3 mm i grubości 0,3 mm, posiada więc podstawową częstotliwość około 33 kHz. Kryształ jest dostrojony do dokładnie 2 15 =32 768  Hz lub pracuje z nieco wyższą częstotliwością z kompensacją hamowania (patrz poniżej).

Precyzja

Względna stabilność rezonatora kwarcowego i jego obwodu sterującego jest znacznie lepsza niż jego absolutna dokładność. Standardowej jakości rezonatory 32 768 Hz tego typu gwarantują długoterminową dokładność około sześciu części na milion (0,0006%) w temperaturze 31°C (87,8°F), co oznacza, że ​​zyskuje typowy zegar kwarcowy lub zegarek na rękę. lub stracić 15 sekund na 30 dni (w normalnym zakresie temperatur od 5 do 35 ° C lub 41 do 95 ° F) lub mniej niż pół sekundy dryf zegara dziennie, gdy jest noszony blisko ciała.

Zmienność temperatury i częstotliwości

Chociaż kwarc ma bardzo niski współczynnik rozszerzalności cieplnej , zmiany temperatury są główną przyczyną zmian częstotliwości w oscylatorów kwarcowych. Najbardziej oczywistym sposobem zmniejszenia wpływu temperatury na szybkość oscylacji jest utrzymywanie kryształu w stałej temperaturze. W przypadku oscylatorów klasy laboratoryjnej stosuje się oscylator kwarcowy sterowany w piecu , w którym kryształ jest utrzymywany w bardzo małym piecu utrzymywanym w stałej temperaturze. Ta metoda jest jednak niepraktyczna w przypadku zegarów kwarcowych i zegarków naręcznych.

Płaszczyzny krystaliczne i strojenie rezonatorów kwarcowych klasy konsumenckiej stosowane w zegarkach na rękę są zaprojektowane tak, aby zapewnić minimalną wrażliwość na temperaturę pod względem ich wpływu na częstotliwość i działają najlepiej w temperaturze około 25 do 28 ° C (77 do 82 ° F). W tej temperaturze kryształ oscyluje najszybciej. Wyższa lub niższa temperatura spowoduje powstanie -0,035  ppm /°C 2 (wolniejsze) oscylacji. Tak więc odchylenie temperatury o ±1 °C spowoduje zmianę szybkości (±1) 2 × -0,035 ppm = -0,035 ppm, co odpowiada -1,1 sekundy na rok. Jeśli zamiast tego kryształ doświadcza odchylenia temperatury o ± 10 ° C, wówczas zmiana szybkości wyniesie (± 10) 2 × -0,035 ppm = -3,5 ppm, co odpowiada -110 sekundom rocznie.

Producenci zegarków kwarcowych stosują uproszczoną wersję metody oscylatora kwarcowego sterowanego w piecu, zalecając regularne noszenie zegarków, aby zapewnić najlepszą wydajność. Regularne noszenie zegarka kwarcowego znacznie zmniejsza wielkość wahań temperatury otoczenia, ponieważ prawidłowo zaprojektowana koperta zegarka tworzy celowy kryształowy piec, który wykorzystuje stabilną temperaturę ludzkiego ciała, aby utrzymać kryształ w najdokładniejszym zakresie temperatur.

Zwiększenie dokładności

Niektóre projekty ruchu mają funkcje zwiększające dokładność lub samoczynną szybkość i samoregulację. Oznacza to, że zamiast tylko liczyć wibracje, ich program komputerowy bierze proste zliczanie i skaluje je przy użyciu współczynnika obliczonego między epoką ustawioną w fabryce a ostatnim ustawieniem zegara. Zegary, które są czasami regulowane przez centra serwisowe za pomocą precyzyjnego timera i terminala regulacyjnego po opuszczeniu fabryki, również stają się dokładniejsze, gdy ich kryształ kwarcu starzeje się i nieco nieprzewidywalne efekty starzenia są odpowiednio kompensowane.

Autonomiczne mechanizmy kwarcowe o wysokiej dokładności, nawet w zegarkach na rękę , mogą mieć dokładność w zakresie od ±1 do ±25 sekund rocznie i mogą być certyfikowane i używane jako chronometry morskie do określania długości geograficznej ( wschód - zachód punktu na Ziemi ). s powierzchni) za pomocą nawigacji niebieskiej . Gdy czas na południku zerowym (lub innym punkcie początkowym) jest wystarczająco dokładnie znany, nawigacja po niebie może określić długość geograficzną, a im dokładniej czas jest znany, tym dokładniejsze jest określenie szerokości geograficznej. Przy szerokości geograficznej 45° jedna sekunda czasu odpowiada długości geograficznej 1077,8  stopy (328,51  m ), lub jedna dziesiąta sekundy oznacza 107,8 stopy (32,86 m).

Kompensacja termiczna

Omega 4,19 MHz (4 194 304 = 2 22 rezonator kwarcowy wysokiej częstotliwości) okrętowy chronometr morski zapewniający dokładność poniżej ± 5 sekund rocznie, wydany przez marynarkę francuską
Analogowo-cyfrowy chronograf Citizen z 4 - strefowym odbiorem sygnału radiowego czasu (Ameryka Północna, Europa, Chiny, Japonia) i synchronizacją

Możliwe jest, aby skomputeryzowany mechanizm kwarcowy o wysokiej dokładności mierzył swoją temperaturę i dostosowywał się do niej. W wysokiej klasy zegarkach kwarcowych zastosowano zarówno analogową, jak i cyfrową kompensację temperatury. W droższych zegarkach kwarcowych z wyższej półki kompensacja termiczna może być realizowana poprzez zmianę liczby cykli do zablokowania w zależności od sygnału wyjściowego czujnika temperatury. COSC średnia dzienna średnia szybkość dla zakwalifikowane Cosc chronometers kwarcowych jest ± 25,55 sekundy w ciągu roku w temperaturze 23 ° C lub 73 ° C. Aby uzyskać etykietę chronometru COSC, instrument kwarcowy musi korzystać z termokompensacji i rygorystycznej hermetyzacji. Każdy chronometr kwarcowy jest testowany przez 13 dni, w jednej pozycji, w 3 różnych temperaturach i 4 różnych poziomach wilgotności względnej. Tylko około 0,2% zegarków kwarcowych produkowanych w Szwajcarii posiada chronometr z certyfikatem COSC. Mechanizmy z certyfikatem chronometru COSC mogą być używane jako chronometry morskie do określania długości geograficznej za pomocą nawigacji niebieskiej.

Dodatkowe metody zwiększające dokładność

Od 2019 r. w sprzedaży stał się autonomiczny, zasilany światłem mechanizm kwarcowy o wysokiej dokładności, który twierdzi, że zapewnia dokładność do ± 1 sekundy na rok. Kluczowymi elementami do uzyskania wysokiej deklarowanej dokładności jest zastosowanie do zegarka kryształu kwarcu o nietypowym kształcie ( cięcie AT ) działającego przy 2 23 lubCzęstotliwość 8 388 608  Hz , kompensacja termiczna i ręczny wybór wstępnie starzonych kryształów. Poza tym, że odmiany AT-cut pozwalają na większe tolerancje temperaturowe, w szczególności w zakresie od -40 do 125 ° C (-40 do 257 ° F), wykazują zmniejszone odchylenia spowodowane zmianami orientacji grawitacyjnej. W rezultacie błędy spowodowane orientacją przestrzenną i pozycjonowaniem stają się mniej niepokojące. W marcu 2019 r. ogłoszono, że trzy limitowane edycje zegarków na rękę z mechanizmem o wysokiej dokładności Calibre 0100 zostaną wprowadzone do sprzedaży z dostawami oczekiwanymi około jesieni 2019 r.

Odszkodowanie za hamowanie

Wiele niedrogich zegarów kwarcowych i zegarków wykorzystuje technikę oceny i kompensacji znaną jako kompensacja hamowania . Kryształ został celowo stworzony, aby działał nieco szybciej. Po wyprodukowaniu każdy moduł jest kalibrowany z precyzyjnym zegarem w fabryce i regulowany w celu zachowania dokładnego czasu poprzez zaprogramowanie cyfrowej logiki tak, aby pomijała niewielką liczbę cykli kryształów w regularnych odstępach czasu, takich jak 10 sekund lub 1 minuta. W przypadku typowego mechanizmu kwarcowego umożliwia to zaprogramowaną korektę w odstępach 7,91 sekundy co 30 dni dla interwałów 10-sekundowych (na bramce pomiarowej 10-sekundowej) lub zaprogramowane korekty w odstępach 1,32 sekundy co 30 dni dla interwałów 60-sekundowych (w przypadku druga bramka pomiarowa). Zaletą tej metody jest to, że wykorzystanie programowania cyfrowego do przechowywania liczby impulsów do wytłumienia w rejestrze pamięci nieulotnej na chipie jest mniej kosztowne niż starsza technika dostrajania częstotliwości kamertonu kwarcowego. Logika hamowania i kompensacji niektórych mechanizmów kwarcowych może być regulowana przez centra serwisowe za pomocą profesjonalnego precyzyjnego timera i terminala regulacyjnego po opuszczeniu fabryki, chociaż wiele niedrogich mechanizmów kwarcowych nie oferuje tej funkcji.

Korekcja zewnętrznego sygnału czasu

Jeśli mechanizm kwarcowy jest codziennie „oceniany” poprzez pomiar jego charakterystyki pomiaru czasu względem sygnału czasu radiowego lub satelitarnego , aby określić, ile czasu mechanizm zyskał lub stracił między odbiorami sygnału czasu, a obwody są dostosowywane w celu „regulacji” pomiar czasu, wtedy skorygowany czas będzie dokładny z dokładnością do ±1 sekundy na rok. Jest to więcej niż wystarczające do określenia długości geograficznej przez nawigację niebiańską . Te ruchy kwarcowe z biegiem czasu stają się mniej dokładne, gdy żaden zewnętrzny sygnał czasu nie został pomyślnie odebrany i wewnętrznie przetworzony w celu automatycznego ustawienia lub zsynchronizowania ich czasu, a bez takiej zewnętrznej kompensacji zwykle powracają do autonomicznego utrzymywania czasu. Narodowy Instytut Standardów i Technologii Stanów Zjednoczonych (NIST) opublikował wytyczne zalecające, aby te ruchy utrzymywały czas między synchronizacjami z dokładnością do ±0,5 sekundy, aby zachować poprawność czasu po zaokrągleniu do najbliższej sekundy. Niektóre z tych ruchów mogą utrzymywać czas między synchronizacjami z dokładnością do ±0,2 sekundy dzięki synchronizacji więcej niż raz w ciągu dnia.

Starzenie się kryształu kwarcu

Kryształy kwarcu zegarowego są wytwarzane w bardzo czystym środowisku, a następnie chronione przez obojętną próżnię o bardzo wysokiej próżni w hermetycznie zamkniętych pojemnikach. Pomimo tych środków częstotliwość kryształu kwarcu może powoli zmieniać się w czasie. Efekt starzenia jest jednak znacznie mniejszy niż efekt zmian częstotliwości spowodowanych zmianami temperatury, a producenci mogą oszacować jego skutki. Ogólnie rzecz biorąc, efekt starzenia ostatecznie zmniejsza częstotliwość danego kryształu, ale może również zwiększyć częstotliwość danego kryształu.

Czynniki, które mogą powodować niewielki dryf częstotliwości z upływem czasu, to odprężenie konstrukcji montażowej, utrata hermetycznego uszczelnienia, zanieczyszczenie sieci krystalicznej , absorpcja wilgoci, zmiany w krysztale kwarcowym lub na nim, silne skutki wstrząsów i wibracji oraz wysokie temperatury. Starzenie kryształów jest zwykle logarytmiczne , co oznacza, że ​​maksymalna szybkość zmian częstotliwości następuje natychmiast po wytworzeniu, a następnie zanika. Większość procesów starzenia nastąpi w ciągu pierwszego roku życia kryształu. Kryształy ostatecznie przestają się starzeć ( asymptotycznie ), ale może to potrwać wiele lat. Producenci mechanizmów mogą wstępnie postarzyć kryształy przed montażem ich w mechanizmy zegarowe. Aby promować przyspieszone starzenie, kryształy poddaje się działaniu wysokich temperatur. Jeśli kryształ jest wstępnie postarzany, producent może zmierzyć jego tempo starzenia (ściśle, współczynniki we wzorze starzenia) i zlecić mikrokontrolerowi obliczenie poprawek w czasie. Początkowa kalibracja ruchu pozostanie dokładna dłużej, jeśli kryształy są wstępnie postarzenie. Korzyść ustałaby po kolejnej regulacji, która zresetuje skumulowany błąd starzenia się do zera. Powodem, dla którego droższe ruchy są bardziej dokładne, jest to, że kryształy są wstępnie starzone dłużej i wybierane pod kątem lepszej wydajności starzenia. Czasami wstępnie starzone kryształy są ręcznie wybierane do wykonywania ruchu.

Chronometry

Chronometry kwarcowe zaprojektowane jako wzorce czasu często zawierają kryształowy piec , aby utrzymać kryształ w stałej temperaturze. Niektóre samooceny i obejmują „farmy kryształowe”, dzięki czemu zegar może wykonać średnią z zestawu pomiarów czasu.

Historia

Cztery precyzyjne oscylatory kwarcowe 100 kHz w US Bureau of Standards (obecnie NIST ), które w 1929 roku stały się pierwszym kwarcowym wzorcem częstotliwości dla Stanów Zjednoczonych. rezonatory (zamontowane pod szklanymi kopułami na górze jednostek) osiągnęły dokładność 10 -7 , około 1 sekundę błędu w ciągu 4 miesięcy.
Pierwszy europejski zegar kwarcowy dla konsumentów „Astrochron”, Junghans , Schramberg, 1967
Pierwszy mechanizm kwarcowy, kaliber 35A, Seiko, Japonia, 1969
Wczesne zegary kwarcowe dla konsumentów
Zegar kwarcowy zawieszony na ścianie, 2005

Szereg innowacji i odkryć doprowadziło do wynalezienia nowoczesnego zegarka kwarcowego.

Piezoelektryczne właściwości kwarcu zostały odkryte przez Jacquesa i Pierre'a Curie w 1880 roku. Oscylator lampowy został wynaleziony w 1912 roku. Oscylator elektryczny został po raz pierwszy użyty do podtrzymania ruchu kamertonu przez brytyjskiego fizyka Williama Ecclesa w 1919 roku; jego osiągnięcie usunęło wiele tłumienia związanego z urządzeniami mechanicznymi i zmaksymalizowało stabilność częstotliwości wibracji. Pierwszy kwarcowy oscylator kwarcowy został zbudowany przez Waltera G. Cady w 1921 roku. W 1923 roku DW Dye z National Physical Laboratory w Wielkiej Brytanii i Warren Marrison z Bell Telephone Laboratories wyprodukowali sekwencje precyzyjnych sygnałów czasowych za pomocą oscylatorów kwarcowych.

W październiku 1927 roku Joseph W. Horton i Warren A. Marrison w Bell Telephone Laboratories opisali i zbudowali pierwszy zegar kwarcowy . Zegar z 1927 r. wykorzystywał blok kryształu, stymulowany elektrycznością, do wytwarzania impulsów o częstotliwości 50 000 cykli na sekundę. Następnie generator częstotliwości sterowany podwielokrotnością podzielił to na użyteczny, regularny impuls, który napędzał silnik synchroniczny .

Kolejne 3 dekady przyniosły rozwój zegarów kwarcowych jako precyzyjnych wzorców czasu w warunkach laboratoryjnych; nieporęczna, delikatna elektronika licząca, zbudowana z lamp próżniowych , ograniczała ich zastosowanie w innych miejscach. W 1932 roku zegar kwarcowy był w stanie zmierzyć niewielkie zmiany w szybkości obrotu Ziemi w okresach tak krótkich, jak kilka tygodni. W Japonii w 1932 roku Issac Koga opracował szlif kryształu, który dawał częstotliwość drgań przy znacznie zmniejszonej zależności od temperatury. National Bureau of Standards (obecnie NIST ) oparło standard czasu w USA na zegarach kwarcowych między 1930 a 1960 rokiem, po czym przeszło na zegary atomowe . Szersze zastosowanie technologii zegara kwarcowego musiało poczekać na rozwój taniej półprzewodnikowej logiki cyfrowej w latach 60. XX wieku. W poprawionej, czternastej edycji Encyclopædia Britannica z 1929 r. stwierdzono, że zegary kwarcowe prawdopodobnie nigdy nie będą na tyle przystępne, aby mogły być używane w kraju.

Ich nieodłączna stabilność fizyczna i chemiczna oraz dokładność zaowocowały późniejszą proliferacją, a od lat 40. XX wieku stanowią podstawę precyzyjnych pomiarów czasu i częstotliwości na całym świecie.

Pierwsze na świecie prototypy analogowych zegarków kwarcowych zostały ujawnione w 1967 roku: Beta 1 ujawniony przez Centre Electronique Horloger (CEH) w Neuchâtel w Szwajcarii oraz prototyp Astrona ujawniony przez Seiko w Japonii (Seiko pracował nad zegarami kwarcowymi od 1958 roku). .

W grudniu 1969 roku firma Seiko wyprodukowała pierwszy na świecie komercyjny zegarek kwarcowy, Seiko-Quartz Astron 35SQ, który jest obecnie uhonorowany wyróżnieniem IEEE Milestone . Astron miał oscylator kwarcowy o częstotliwości 8192 Hz i miał dokładność 0,2 sekundy dziennie, 5 sekund miesięcznie lub 1 minutę rocznie. Astron został wydany niecały rok przed wprowadzeniem szwajcarskiej wersji Beta 21, opracowanej przez 16 szwajcarskich producentów zegarków i używanej przez Rolex, Patek i Omega w ich modelach elektrokwarcowych. Nieodłączna dokładność i niski koszt produkcji zaowocowały od tego czasu proliferacją zegarów kwarcowych i zegarków.

W latach 70. wprowadzenie układów scalonych z półprzewodnikami z tlenku metalu (MOS) pozwoliło na 12-miesięczną żywotność baterii z pojedynczej komórki monetowej podczas napędzania mechanicznego silnika krokowego typu Lavet , gładkiego silnika bezstopniowego zamiatającego lub wyświetlacz ciekłokrystaliczny (w zegarku cyfrowym LCD). Wyświetlacze z diodami elektroluminescencyjnymi (LED) do zegarków stały się rzadkością ze względu na stosunkowo wysokie zużycie baterii. W warunkach laboratoryjnych zegary atomowe zastąpiły zegary kwarcowe jako podstawę precyzyjnych pomiarów czasu i częstotliwości, w wyniku czego powstał Międzynarodowy Czas Atomowy .

Przez 1980, technologia kwarcowy przejął zastosowań kuchennych, takich jak zegary , budziki , sklepienie banku Zamek czasowy , a czas zapalników na amunicję, z wcześniej mechanicznych kół bilans ruchów, przewrót w zegarmistrzowskie znany jako kryzysu kwarcowego .

Zegarki kwarcowe dominowały na rynku zegarków naręcznych i krajowych od lat 80. XX wieku. Ze względu na wysoki współczynnik dobroci i niski współczynnik temperaturowy kryształu kwarcu są one dokładniejsze niż najlepsze zegarki mechaniczne, a wyeliminowanie wszystkich ruchomych części czyni je bardziej wytrzymałymi i eliminuje konieczność okresowej konserwacji.

W 2014 roku pojawiły się komercyjne analogowe i cyfrowe zegary ścienne, które wykorzystują podwójny oscylator kwarcowy z dokładnością do 0,2  ppb . Zegary te są fabrycznie zsynchronizowane z atomowym wzorcem czasu i zazwyczaj nie wymagają żadnych dalszych regulacji czasu przez cały okres eksploatacji zegara. W 202132 768  Hz standardowe jednostki kryształowe „zegarka” lub zegara czasu rzeczywistego (RTC) stały się tanimi masowo produkowanymi produktami.

Zobacz też

Uwagi

Bibliografia

Dalsza lektura

Zewnętrzne linki