時(shí)間即留不住也握不住,但是人類用自己特殊的計(jì)算方法,去合理的利用時(shí)間,古時(shí)候人們將白天和黑夜劃分為十二個(gè)時(shí)辰,現(xiàn)代人更精確的把這十二個(gè)時(shí)辰演變成24個(gè)小時(shí).主要的時(shí)間計(jì)算工具從古至今有日晷,日冕,沙漏,鐘表,手表等,現(xiàn)在最常用的估計(jì)就是手機(jī)了吧.那么是什么東西給現(xiàn)在鐘表和手機(jī)提供精確的時(shí)間呢?答案當(dāng)然是石英晶體了,尤其是32.768K,這是產(chǎn)品時(shí)鐘基準(zhǔn)設(shè)置和時(shí)鐘系統(tǒng)里,最常用的頻率元器件.由于32.768K晶振可以給鐘表和其他設(shè)備帶來精準(zhǔn)穩(wěn)定的時(shí)鐘信號(hào),也被業(yè)界叫做時(shí)鐘晶振.
如果事件必須同步發(fā)生,則時(shí)間比振蕩器頻率更重要.產(chǎn)生”時(shí)序”的振蕩器的頻率和精度并不重要,只要它們都準(zhǔn)確知道它的時(shí)間.另一方面,如果產(chǎn)生定時(shí)的振蕩器不能使其自身與參考定時(shí)源同步,那么產(chǎn)生時(shí)間的貼片振蕩器頻率的精度現(xiàn)在是非常重要的.國(guó)際公認(rèn)的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)是UTC(協(xié)調(diào)世界時(shí)),由美國(guó)商務(wù)部的分支機(jī)構(gòu)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所維護(hù).
在Telecoms基礎(chǔ)設(shè)施中,各種級(jí)別的所需時(shí)序精度被定義為Stratum級(jí)別1到4.最準(zhǔn)確的,因此主要參考源是Stratum1,原子鐘(通常是銫束或氫氣脈沖激光器),其頻率維持在生命的準(zhǔn)確度<1x10-11.下一級(jí),Stratum2,其頻率保持在每天<1x10-10的準(zhǔn)確度,Stratum3將其頻率保持在每天<3.7x10-7的精度.使用SC切割晶體,使用精密OCXO(烘箱控制晶體振蕩器)實(shí)現(xiàn)層2.使用AT切割晶體,使用精密TCXO(溫度補(bǔ)償晶體振蕩器)實(shí)現(xiàn)層3級(jí).
那么這些穩(wěn)定性如何與時(shí)間相關(guān)?一年是~365天x24小時(shí)x60分x60秒=31,536,000秒.如果保持時(shí)鐘時(shí)間的Oscillator的精度為每年1x10-6(1x10-6為1ppm[百萬分之一]),則時(shí)鐘每年將增加(或丟失)31.536秒.這使得上述示例中的原子鐘在20年的使用壽命內(nèi)精確到0.006秒,OCXO在每天0.00009秒內(nèi),TCXO在每天0.032秒內(nèi).
然而,大多數(shù)對(duì)計(jì)時(shí)的引用是指”時(shí)間”而不是數(shù)據(jù)同步,特別是手表或時(shí)鐘上顯示的時(shí)間.第一個(gè)石英鐘是由沃倫·馬里森和J.W.建造的.1927年貝爾電話實(shí)驗(yàn)室的Horton.第一款采用石英晶體作為計(jì)時(shí)元件的商用腕表是由Seiko制造的35SQAstron手表,并于1969年圣誕節(jié)推出(圖2),零售價(jià)為1250美元(相當(dāng)小型車的價(jià)格).這使用了8.192kHzX切割音叉晶體.

所有不同的石英晶體切割均來自相同的培養(yǎng)石英棒,但是以不同的角度切割到晶體軸(圖3).它們各自具有針對(duì)最終應(yīng)用定制的不同機(jī)械和電氣性質(zhì).AT Cut用于大多數(shù)晶體振蕩器,特別適用于精密TCXO溫補(bǔ)晶振,SC Cut晶體主要用于OCXO恒溫晶振.

XCut音叉式水晶燈(圖4)用于'Timeof Day'計(jì)時(shí)應(yīng)用(腕表,家用鐘表等),因?yàn)樗哂凶匀坏牡驼袷庮l率,極低的工作功率要求和25oC左右的低溫度系數(shù)(圖5).

特別是XCut音叉晶體可以在32.768kHz處振蕩,當(dāng)數(shù)字分頻為215時(shí),產(chǎn)生1秒方波,非常適合計(jì)時(shí).通過將16.777216MHz AT Cut SPXO振蕩器分頻為224可以產(chǎn)生相同的1秒方波,但由于更高的頻率和額外的分頻器導(dǎo)致的功耗增加可能超過XCut音叉晶振選項(xiàng)的100倍(不適合電池供電的應(yīng)用).

由于計(jì)時(shí)涉及計(jì)數(shù)和分頻,所選的常用晶體振蕩器是門控皮爾斯(如文章'IC CRYSTAL OSCILLATOR CIRCUITS'中所述),但增加的限制是極低的晶體驅(qū)動(dòng)功率和(通常)低電壓應(yīng)用的Vdd電壓.

典型的32.768KHz音叉晶體將具有30kΩ至60kΩ的ESR(等效串聯(lián)電阻),需要6pF至15pF的負(fù)載電容(典型值為12.5pF),第一年的老化小于±3ppm,但更多重要的是最大晶體驅(qū)動(dòng)電平為1μW.使用無緩沖變頻器的圖6中的電路將通過以下電路值提供可接受的性能.C1=10pF,C2=22pF,Rlim=330kΩ,Rf=22MΩ.Rextra可用于限制非開關(guān)逆變器在開關(guān)期間消耗的電流,值為47kΩ,Vdd=2V時(shí)應(yīng)將電流消耗限制在~5μA.

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如何用石英晶體保持時(shí)間穩(wěn)定和精準(zhǔn)

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