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第42章 三百年差一秒的钟——晶体钟

有了高稳定晶体振荡器,像在电子手表中一样,只能说有了一个高级的“电子摆”,它本身并不能构成一个完整的钟。

高稳定晶体振荡器的振荡频率一般为每秒2田万—枷万次,每一个振荡周期只有几百万分之一秒,即零点几微秒,这样小的时间刻度,对无线电技术和时间频率的计量来说,已是很精确、很方便的了,但对于我们传统的时、分、秒的计时观念来说,这样的时间刻度又嫌太小。

假如我们能够对晶体振荡器的标准信号加以变换,使其分别产生每秒振荡一次、每分振荡一次、每小时振荡一次的信号……频率越低,周期越长,这样就和我们日常所用的钟表一一对应起来。再将这些低频信号通过数字形式或机械形式显示出来,这就构成了一个由晶体振荡器决定稳定性的标准时钟——晶体钟了。

现代电子学的发展,使人们很容易实现上述的设想。晶体钟早已制造出来了,早在1927年,美国贝尔电话实验室马里森第一个研制出晶体钟,用来计量时间;1933年,东京天文台首先装备了晶体钟,用来保存准确的时间。发展到现在,晶体钟在各个领域得到了更加广泛的应用,无论是在计量局的标准室里,还是在广场的高大建筑物上,或是在体育比赛的大厅里,我们都可以发现晶体钟的“踪迹”。虽然它们的计时精度要求各不相同,但它们的基本工作原理都是一样的。

晶体钟一般是由下列几部分组成的。高稳定晶体振荡器将5兆赫(或2.5兆赫)标准信号送给第一个分频器,分频5×106次,得到每秒一周的信号,即“秒”信号;再通过第二个分频器,分频印次,就得到每60秒一周的信号即“分”信号;再经过第三个分频器,继续分频印次,就得到每3600秒一周的信号,即“时”信号。将分出的秒、分、时信号送到译码显示电路,就可以以数字形式显示出××时、××分、××秒来,和石英手表一样读起来非常方便。现代的数字显示方法多种多样,有数码管显示,发光二极管显示、液晶显示及等离子显示等。显示的颜色有红的、橙色的、绿色的……数字闪烁跳跃,十分直观好看。

光是这样还不够,我们可以想象到,如果振荡器不断地输出标准信号,时间一分一秒地积累起来,就会出现“25时××分××秒”的情况,时间再长会出现35小时、48小时……的情况,这就和我们实际应用产生了差异。所以还必须加上一套调整电路,当时间积累满34小时后,使整个系统完全恢复到零位,计时再重新开始,这就是“复零电路”的作用。正像我们常用的钟表一样,指示的最大数值是12点,过了12点以后,指针的读数又重新开始了。

如果我们用频率变换的方法,将得到的秒信号驱动一个机械装置——同步钟,一个秒信号使同步钟的秒针跳动一次,并带动分针、时针,这就构成了一个机械指示的晶体钟,这跟我们日常用的钟表就更相似了。

讲到这里,需要特别指出,在信号变换过程中,并没有改变高稳定晶体振荡器的稳定度,得到的时、分、秒信号的稳定度仍然可保持在10-10量级。从这个意义上来说,高稳定晶体振荡器就相当于普通钟表里的“机械摆”,它是稳频的关键部件,所以有人管它叫做“晶体钟摆”,也是有一定道理的。

如果1台晶体钟的稳定度是1×10-10,那么它相当于多少年差1秒呢?相当于317年差1秒,通常我们就说成3印年差1秒。这样的钟多准啊!如果我们每一代人按30年来计算,那么3印年就整整是10代人的时间!这就是说,我们上溯10辈的先祖对准的钟表,走到现在,只不过才差上1秒钟!

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