Проанализируем как должно работать разрабатываемое устройство. Часы обязательно должны содержать устройство измерения времени, которое в свою очередь всегда состоит из генератора эталонных интервалов времени и счётчика этих интервалов. Структурная схема устройства измерения времени приведена на рисунке 1.
Рисунок 1. Структурная схема устройства измерения времени
В качестве генератора эталонных импульсов в различное время использовали различные устройства. Это и вытекание воды или песка из какой-либо ёмкости и движение тени от солнца по циферблату и даже горение нити в огненных китайских часах.
В простейшем случае генератор импульсов эталонной длительности должен вырабатывать минутные импульсы. В простейшем случае генератор импульсов эталонной длительности должен вырабатывать минутные импульсы. Однако реализовать стабильный генератор такой длительности достаточно сложно. Даже в механических часах в качестве генератора импульсов эталонной длительности использовался маятник с периодом колебаний от одной до нескольких секунд.
В качестве генератора эталонных импульсов мог бы подойти кварцевый генератор, так как этот тип генераторов обладает высокой стабильностью колебаний. Но кварцевые генераторы вырабатывают колебания в диапазоне от 1 до 30 МГц. Это соответствует временным интервалам от 0.03 до 1 мкС. Тем не менее, если воспользоваться делителем частоты, выполненном на двоичном счетчике, то можно получить импульсы с периодом 1 минута.
Выберем частоту работы кварцевого генератора. Здесь можно использовать кварцевый резонатор с частотой 32768Гц, предназначенный для использования в часах. Этот резонатор специально разрабатывался для применения в часах, поэтому его частота кратна степени двойки (215 = 32768). В результате можно использовать обычный двоичный делитель.
Здесь хотелось бы отметить, какая грандиозная задача была решена разработчиками кварцевых кристаллов. Дело в том, что если посчитать длину акустической волны в кварце, то кварцевый резонатор получился бы впечатляющих размеров. Толщину кристалла кварца можно определить по общеизвестной формуле для длины волны. Как известно скорость распространения звуковой волны в кристалле кварца равна 5570м/с, тогда длина волны будет равна:
L = v/f = 5570/32768 = 17см
где v - это скорость звука в кристалле кварца;
f - резонансная частота.
То есть толщина кварцевого резонатора должна быть как минимум равна половине длины волны - 8,5см. Ну, как, впечатляет? Длина кварцевого кристалла соответственно должна быть, по крайней мере, в пять раз больше. Казалось бы, это неразрешимая проблема для малогабаритных и дешёвых устройств, однако разработчики кварцевого резонатора сумели решить её.
Первым решением проблемы является то, что низкочастотные кварцевые резонаторы изготавливаются с использованием не объемных, а поверхностных волн. Точнее крутильных колебаний. В результате в резонаторе используется вся его длина. Скорость распространения волны по поверхности кварца значительно ниже скорости распространения волны в его объеме и равна 3515м/с. Однако даже в этом случае размеры кварцевого резонатора получаются значительными:
L = v/f = 3515/32768 = 10,7см
где v - это скорость звука в кристалле кварца;
f - резонансная частота.
Решением проблемы оказалась разработка кварцевого резонатора, реализованного по принципу камертона. В таком резонаторе возбуждаются не объемные колебания, а колебания двух параллельно расположенных стержней, как это показано на рисунке 2.
В такой конструкции частота резонанса зависит от упругости кварца, длины и толщины зубьев получившейся вилки камертона.
Стоимость часовых кварцевых резонаторов оказалась минимальной из всех кварцевых резонаторов. Благодаря своей распространённости, малой цене, габаритам и малой частоте часовые кварцевые резонаторы начинают применяться практически во всех цифровых устройствах.
