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當(dāng)你看著手機(jī)上精確跳動的數(shù)字時鐘，是否想過：是誰在背后默默推動這些設(shè)備準(zhǔn)確計時的？答案藏在一個小小的電子元件中——晶體振蕩器，簡稱“晶振”。它是現(xiàn)代電子設(shè)備中不可或缺的計時核心，就像一顆無聲的心臟，在不停跳動，為整個系統(tǒng)提供穩(wěn)定節(jié)奏。那么，這個不起眼的小部件究竟是怎么“知道”時間的？它又是如何讓各種設(shè)備按照精準(zhǔn)的節(jié)奏運行的呢？

各種各樣的晶體振蕩器（圖片來源：[1]）

微觀世界的節(jié)拍器

晶振的工作原理看似復(fù)雜，其實核心思路并不難理解。我們都知道，古老的鐘表是靠鐘擺或者發(fā)條帶動齒輪運轉(zhuǎn)來記錄時間的。這些機(jī)械結(jié)構(gòu)通過重復(fù)、穩(wěn)定的運動來“切割”時間。晶振在本質(zhì)上扮演的角色也類似，它也是一種產(chǎn)生穩(wěn)定震動的裝置，只不過它震動的不是鐘擺，而是石英晶體。

石英晶體的結(jié)構(gòu)（圖片來源：[3]）

所謂“石英晶體”，就是一種天然存在的二氧化硅礦物。當(dāng)它被切割成特定角度和形狀，并接入電路后，就會展現(xiàn)出一種奇妙的物理特性——壓電效應(yīng)。簡單來說，當(dāng)你對石英施加電壓，它就會以極快的頻率發(fā)生微小但規(guī)律的機(jī)械形變；而反過來，外界的震動也能使其產(chǎn)生微小的電流。這種特性可以用來制造一個“電子節(jié)拍器”：對晶體通電，它就會開始有規(guī)律地振動，電路再把這些震動轉(zhuǎn)換成清晰的電信號。

壓電效應(yīng)原理示意圖（圖片來源：網(wǎng)絡(luò)）

晶振最常見的頻率是32.768 kHz，也就是說，每秒振動32,768次。為什么是這個奇怪的數(shù)字？因為它恰好是2的15次方，電子電路可以非常方便地通過15級的二進(jìn)制計數(shù)器把它“除”成1秒。這就像設(shè)定好的節(jié)拍器每敲32,768下，系統(tǒng)就認(rèn)定“一秒過去了”。

石英之所以精準(zhǔn)，并非偶然

你也許會想：為什么非得用石英？地球上有這么多材料，為什么電子設(shè)備都偏愛這塊無色的結(jié)晶體？答案要從幾個方面說起。

01

穩(wěn)定性

首先是穩(wěn)定性。石英晶體具有非常好的頻率穩(wěn)定性，它的震動頻率幾乎不受普通環(huán)境溫度、電壓波動或時間老化的影響。在合理設(shè)計和加工條件下，石英晶振的誤差可以控制在百萬分之一到十億分之一的范圍內(nèi)。也就是說，它每天的“誤時”可能連一秒都不到，遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于早期的機(jī)械鐘表。

世界上第一臺石英鐘（1927年）（圖片來源：網(wǎng)絡(luò)）

02

資源豐富和加工成熟

其次是資源豐富和加工成熟。石英是地殼中含量極高的礦物之一，加工技術(shù)也非常成熟，可以用微米級別的工藝切割成特定幾何形狀，再封裝成各種尺寸的元器件。無論是手表用的微型晶振，還是工業(yè)用的大型高頻晶振，都可以批量生產(chǎn)，成本低廉且可靠性高。

天然石英礦和人造光學(xué)石英晶體（圖片來源：[4]）

03

良好的機(jī)械強(qiáng)度和抗沖擊能力

此外，石英還具有良好的機(jī)械強(qiáng)度和抗沖擊能力。即使在日常跌落或振動環(huán)境中，它依然能維持穩(wěn)定運行，這對于需要長時間、持續(xù)計時的電子設(shè)備來說至關(guān)重要。

從晶振到時鐘電路：數(shù)節(jié)拍的人是誰？

晶振本身并不能直接顯示時間，它的作用更像是“發(fā)出均勻節(jié)拍”。那么是誰在“聽”這個節(jié)拍，并把它變成具體的時分秒？答案是——時鐘電路。

在電子系統(tǒng)中，時鐘電路通過“分頻器”來統(tǒng)計晶振輸出的每一次震動。例如，當(dāng)系統(tǒng)檢測到晶振完成了32,768次震動，就會輸出一個脈沖信號，這個信號就代表“一秒”。類似的機(jī)制可以繼續(xù)疊加：60個“秒脈沖”合成一分鐘，60分鐘合成一小時，依此類推。

分頻器系統(tǒng)（圖片來源：網(wǎng)絡(luò)）

這個過程中沒有真正意義上的“意識”或“記憶”，只有機(jī)械重復(fù)的電子邏輯判斷和處理。這也正是數(shù)字系統(tǒng)的一大特點——它不依賴主觀判斷，全靠計數(shù)與規(guī)則。只要晶振輸出是穩(wěn)定的，系統(tǒng)對其震動次數(shù)的統(tǒng)計就是準(zhǔn)確的，時間也就不會出錯。

不同的晶振，服務(wù)不同的時間精度

雖然晶振的原理相似，但根據(jù)應(yīng)用的不同，其類型和精度可以有巨大差異。在普通的電子表中，最基礎(chǔ)的石英晶振就足夠應(yīng)付日常計時。它的精度可能每月誤差幾十秒，但對大多數(shù)人來說已經(jīng)綽綽有余。

晶振的應(yīng)用領(lǐng)域（圖片來源：[5]）

而在手機(jī)、GPS、通信設(shè)備中，為了保證信號同步，就需要更高級的晶振，比如溫補(bǔ)晶振（TCXO）和恒溫晶振（OCXO）。溫補(bǔ)晶振通過加入溫度傳感器和補(bǔ)償電路，讓晶體在不同溫度下依然保持精準(zhǔn)震動；而恒溫晶振則干脆在一個“微型保溫箱”中恒溫控制晶體溫度，進(jìn)一步減少誤差。這種晶振的精度可以提升幾個數(shù)量級，適用于對計時嚴(yán)苛的領(lǐng)域。

溫補(bǔ)晶振的原理圖（圖片來源：網(wǎng)絡(luò)）

在一些極端高精度需求中，比如金融高頻交易系統(tǒng)、衛(wèi)星導(dǎo)航甚至粒子加速器，晶振的誤差必須低到皮秒級，這時候就可能使用原子鐘作為參考，再用晶振跟隨原子鐘同步工作，從而實現(xiàn)納秒級別的時間掌控。

泳姿中的“鞭打腿”，是先以髖部發(fā)力驅(qū)動大腿，再經(jīng)小腿傳遞至腳掌，使速度像鞭子一樣逐層放大，能在腳尖釋放出最大的推水力。這種動作不僅提高了推進(jìn)效率，還能保持身體流線型和節(jié)奏連續(xù)性，是自由泳、蝶泳、蛙泳等方式實現(xiàn)高速前進(jìn)的關(guān)鍵動力機(jī)制。

參考文獻(xiàn)

[1]https://mp.weixin.qq.com/s/JqyCQVxxDdVfVVF9f2FtyQ

[2]https://ciechanow.ski/mechanical-watch/

[3]https://mp.weixin.qq.com/s/UphCk5gRA3yME5NcJ24t4g

[4]https://mp.weixin.qq.com/s/pZhtDTHK6XFFCjdcOwyJfA

[5]https://mp.weixin.qq.com/s/3iQdtM9ON7U5eHC5-_4kgA

[6]https://mp.weixin.qq.com/s/DIlLJm4kLIGobpWs2ru-Cg

[7]賀旭東,張一帆,董超.一種高頻率穩(wěn)定度模擬溫度補(bǔ)償晶體振蕩器[J].壓電與聲光,2024,46(05):685-689+694.

圖片源自于網(wǎng)絡(luò)，僅供科普參考

來源：力學(xué)科普

編輯：子木

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