如何用石英晶体保持时间的精准？

时间留不住也握不住，但是人类用自己特殊的计算方法，去合理的利用时间，古时候人们将白天和黑夜划分为十二个时辰，现代人更精确的把这十二个时辰演变成24个小时。主要的时间计算工具从古至今有日晷，日冕，沙漏，钟表，手表等，现在的估计就是手机了吧。那么是什么东西给现在钟表和手机提供精确的时间呢？答案当然是石英晶体了，尤其是32.768K，这是产品时钟基准设置和时钟系统里，的频率元器件。由于32.768K晶振可以给钟表和其他设备带来精准稳定的时钟信号，也被业界叫做时钟晶振。
 

如果事件必须同步发生，则时间比振荡器频率更重要。产生”时序”的振荡器的频率和精度并不重要，只要它们都准确知道它的时间。另一方面，如果产生定时的振荡器不能使其自身与参考定时源同步，那么产生时间的贴片振荡器频率的精度现在是非常重要的。的时间标准是UTC(协调世界时)，由美国的分支机构国家标准与技术研究所维护。
 

在Telecoms基础设施中，各种级别的所需时序精度被定义为Stratum级别1到4。最准确的，因此主要参考源是Stratum1，原子钟(通常是铯束或氢气脉冲激光器)，其频率维持在生命的准确度<1x10^-11。下一级，Stratum2，其频率保持在每天<1x10^-10的准确度，Stratum3将其频率保持在每天<3.7x10^-7的精度。使用SC切割晶体，使用精密OCXO(烘箱控制晶体振荡器)实现层2。使用AT切割晶体，使用精密TCXO(温度补偿晶体振荡器)实现层3级。
 

那么这些稳定性如何与时间相关？一年是~365天x24小时x60分x60秒=31，536，000秒。如果保持时钟时间的Oscillator的精度为每年1x10^-6(1x10^-6为1ppm[百万分之一])，则时钟每年将增加(或丢失)31.536秒。这使得上述示例中的原子钟在20年的使用寿命内精确到0.006秒，OCXO在每天0.00009秒内，TCXO在每天0.032秒内。
 

然而，大多数对计时的引用是指”时间”而不是数据同步，特别是手表或时钟上显示的时间。个石英钟是由沃伦·马里森和J。W。建造的。1927年贝尔电话实验室的Horton。款采用石英晶体作为计时元件的商用腕表是由Seiko制造的35SQAstron手表，并于1969年圣诞节推出(图2)，零售价为1250美元(相当小型车的价格)。这使用了8.192kHzX切割音叉晶体。 

所有不同的石英晶体切割均来自相同的培养石英棒，但是以不同的角度切割到晶体轴。它们各自具有针对最终应用定制的不同机械和电气性质。AT Cut用于大多数晶体振荡器，特别适用于精密TCXO温补晶振，SC Cut晶体主要用于OCXO恒温晶振。 XCut音叉式水晶灯用于'Timeof Day'计时应用(腕表，家用钟表等)，因为它具有自然的低振荡频率，极低的工作功率要求和25oC左右的低温度系数。 

特别是XCut音叉晶体可以在32.768kHz处振荡，当数字分频为215时，产生1秒方波，非常适合计时。通过将16.777216MHz AT Cut SPXO振荡器分频为224可以产生相同的1秒方波，但由于更高的频率和额外的分频器导致的功耗增加可能超过XCut音叉晶振选项的100倍(不适合电池供电的应用)。 

由于计时涉及计数和分频，所选的常用晶体振荡器是门控皮尔斯(如文章'IC CRYSTAL OSCILLATOR CIRCUITS'中所述)，但增加的限制是极低的晶体驱动功率和(通常)低电压应用的Vdd电压。 

典型的32.768KHz音叉晶体将具有30kΩ至60kΩ的ESR(等效串联电阻)，需要6pF至15pF的负载电容(典型值为12.5pF)，年的老化小于±3ppm，但更多重要的是晶体驱动电平为1μW。使用无缓冲变频器的图6中的电路将通过以下电路值提供可接受的性能。C1=10pF，C2=22pF，Rlim=330kΩ，Rf=22MΩ。Rextra可用于限制非开关逆变器在开关期间消耗的电流，值为47kΩ，Vdd=2V时应将电流消耗限制在~5μA。