石英表的工作原理[記錄圖表]

1、石英表的工作原理一、 石英表的構(gòu)造 石英表的關(guān)鍵部件如下圖所示： 二、 石英表各部件的工作原理1、 電池提供石英表工作所需能源石英表常用的是鋅氧化銀扣式電池。鋅氧化銀扣式電池（zinc-silver oxide button battery）是以銀的氧化物作正極活性物質(zhì)，鋅作負(fù)極（根據(jù)金屬活性而決定正負(fù)極）物質(zhì)的堿性電池。它是小型的圓柱形鋅氧化銀一次電池，其高度尺寸小于直徑，外形像鈕扣，是一種密封式電池。該電池用氧化銀與石墨混和壓成片狀作電池正極，鋅粉加入添加劑壓成片狀作負(fù)極，氫氧化鉀水溶液作電解質(zhì)，正、負(fù)極間用專用隔膜隔開(kāi)。2、 石英晶體振蕩器石英表內(nèi)部核心將二氧化硅（SiO2）結(jié)晶體按一定

2、的方向切割成很薄的晶片, 再將晶片兩個(gè)對(duì)應(yīng)的表面拋光和涂敷銀層, 并作為兩個(gè)極引出管腳, 加以封裝, 就構(gòu)成石英晶體諧振器。石英晶體振蕩器的關(guān)鍵在于利用了石英晶體的壓電效應(yīng)和諧振現(xiàn)象。（1）、壓電效應(yīng)：某些電介質(zhì)在沿一定方向上受到外力的作用而變形時(shí)，其內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)在它的兩個(gè)相對(duì)表面上出現(xiàn)正負(fù)相反的電荷。當(dāng)外力去掉后，它又會(huì)恢復(fù)到不帶電的狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng)。當(dāng)作用力的方向改變時(shí)，電荷的極性也隨之改變。相反，當(dāng)在電介質(zhì)的極化方向上施加電場(chǎng)，這些電介質(zhì)也會(huì)發(fā)生變形，電場(chǎng)去掉后，電介質(zhì)的變形隨之消失，這種現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)，或稱為電致伸縮現(xiàn)象。能產(chǎn)生壓電效應(yīng)的晶體就叫壓電晶體。水

3、晶（-石英）是一種有名的壓電晶體。如果按一定方向?qū)λЬw上切下的薄片施加壓力，那么在此薄片上將會(huì)產(chǎn)生電荷。如果按相反方向拉伸這一薄片，在此薄片上也會(huì)出現(xiàn)電荷，不過(guò)符號(hào)相反。擠壓或拉伸的力愈大，晶體上的電荷也會(huì)愈多。如果在薄片的兩端鍍上電極，并通以交流電，那么薄片將會(huì)作周期性的伸長(zhǎng)或縮短，即開(kāi)始振動(dòng)。石英電子表中有一個(gè)核心部件叫石英振子，其中應(yīng)用的便是水晶可以制作壓電石英薄片。（2）、石英諧振現(xiàn)象：石英諧振器簡(jiǎn)稱為晶振，它是利用具有壓電效應(yīng)的石英晶體片制成的。這種石英晶體薄片受到外加交變電場(chǎng)的作用時(shí)會(huì)產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，當(dāng)交變電場(chǎng)的頻率與石英晶體的固有頻率相同時(shí)，振動(dòng)便變得很強(qiáng)烈，這就是晶體諧振特性

4、的反應(yīng)。類似于我們熟悉的共振現(xiàn)象。石英表中常用的石英固有頻率是32768赫茲。因?yàn)槭⒕哂袎弘娦?yīng)，加以交變電場(chǎng)之后，石英晶體的尺寸會(huì)發(fā)生變化，從而它的振動(dòng)頻率也隨之改變，直到與交變電場(chǎng)的頻率達(dá)到一致時(shí)，發(fā)生晶體諧振。根據(jù)晶體切片的厚度和角度不同就可以從而產(chǎn)生不同的諧振頻率。（3）、石英表的集成電路，全名為互補(bǔ)型金屬一氧化物一半導(dǎo)體集成電路(Complementary Metal oxide -Semiconductor)縮寫成CMOS。它控制了電子表的所有功能。CMOS集成電路，由石英振蕩電路、分頻電路、計(jì)數(shù)電路、譯碼電路、驅(qū)動(dòng)電路、升壓電路、及控制電路等組成，各部分電路的作用及原理概述如下

5、：a) CMOS石英振蕩電路 表用CMOS石英振蕩電路是由石英諧振器、CMOS倒相器、偏置電阻Rf及振蕩電容C1、C2 等組成的，如下圖所示。它的基本功能是用以產(chǎn)生32768赫茲的正弦信號(hào)作為手表的時(shí)間基準(zhǔn)。途中BG1是P溝道增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)管；BG2是N溝道增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)管，兩管柵極相連作為輸入端，而漏極相連作為輸出端；Rf 為偏置電阻，它使BG1 、BG2 構(gòu)成的倒相器工作在線性放大區(qū)。C1為微調(diào)電容器，調(diào)整它的容量可以改變振蕩電路的振蕩頻率，它的作用相當(dāng)于機(jī)械表中的快慢針；C2 為固定電容器，其容量為2040微微法；BW為石英諧振器，在電路中的作用等效于一個(gè)電感，與BG1 、BG2、 C1、C

6、2 一起組成一個(gè)三點(diǎn)式振蕩電路；D1、D2是BG1 、BG2 保護(hù)二極管，由于倒相器輸入阻抗很高，通過(guò)靜電感應(yīng)可能產(chǎn)生極高的電壓，此時(shí)二極管提供旁路以避免因靜電感應(yīng)而使柵極擊穿。CMOS倒相器的工作原理是：當(dāng)輸入端VG 為低電平是，nMOS管截止，pMOS管導(dǎo)通，由VDD 通過(guò)pMOS向電容C2 充電，VD 趨向低電平?？梢?jiàn)輸出電壓總與輸入電壓反相，所以把這個(gè)電路稱之為CMOS倒相器。當(dāng)電源接通時(shí)，被倒相器放大了的與石英諧振器的振蕩頻率相同的諧波與石英諧振器發(fā)生壓電諧振。此時(shí)，在BW、C1、C2組成的串聯(lián)諧振回路里就有很大的與諧振頻率相一致的交變電流通過(guò)。這一電流在 C1、C2 上產(chǎn)生很大的且

7、相位相反的交變電壓，C1 上的交變電壓被反饋到倒相器的輸入端。由于此反饋信號(hào)與原輸入信號(hào)同相，因此就有加強(qiáng)了原來(lái)的輸入信號(hào)。這個(gè)過(guò)程周而復(fù)始，使得石英諧振器的震動(dòng)越來(lái)越強(qiáng)烈，達(dá)到一定程度時(shí)，就使倒相器進(jìn)入非線性區(qū)，這時(shí)倒相器的增益下降，從而使石英諧振器始終穩(wěn)定在某一振幅而不停地振動(dòng)。此時(shí)，石英振蕩電路就輸出與石英諧振器 相同頻率的基準(zhǔn)信號(hào)，當(dāng)石英諧振器的諧振頻率為32768赫茲時(shí)，振蕩電路就不停地輸出32768赫茲的基準(zhǔn)信號(hào)，然后將這一基準(zhǔn)頻率送入分頻電路進(jìn)行分頻。 b) 分頻電路分頻電路的 作用是把輸入脈沖信號(hào)的頻率成倍降低。電子表中采用的分頻電路都是由二分頻電路組成的，二分頻電路能是輸出信

8、號(hào)的頻率比輸入信號(hào)的頻率降低一半。如果石英振蕩電路的振蕩頻率為32768=215 赫茲，則分頻器要由15級(jí)相同的二分頻電路級(jí)聯(lián)而成，下圖為分頻電路框圖。c) 計(jì)數(shù)電路計(jì)數(shù)電路是石英表的記憶裝置，它不停地、準(zhǔn)確地記錄著時(shí)間。計(jì)數(shù)器實(shí)際上就是由數(shù)級(jí)二分頻電路加上適當(dāng)?shù)拈T電路組成的，在電子表CMOS集成電路中設(shè)有：60進(jìn)位的秒、分計(jì)數(shù)器，12或24進(jìn)位的時(shí)計(jì)數(shù)器，28、30或31進(jìn)位的日計(jì)數(shù)器，12進(jìn)位的月計(jì)數(shù)器，7進(jìn)位的周計(jì)數(shù)器等。d) 譯碼電路寄存在計(jì)數(shù)電路中的時(shí)間信息是以二進(jìn)制來(lái)表示的。用譯碼電路把計(jì)數(shù)器所累計(jì)的時(shí)間通過(guò)顯示器件以十進(jìn)制數(shù)反映出來(lái)。液晶顯示數(shù)字式適應(yīng)電子手表的數(shù)字是七段顯示單元

9、，其譯碼電路是七段譯碼電路。下圖a為電路示意圖。 月、日、時(shí)、分、秒的七段顯示單元如圖b所示，周歷顯示用一個(gè)九段顯示單元和一個(gè)八段顯示單元，如圖c所示，他們聯(lián)合顯示英文星期日至星期六的前兩個(gè)字母，顯示規(guī)律如圖d所示。如果控制u、i、r段字段不顯示，上兩個(gè)顯示單元就是七段顯示單元。e) 驅(qū)動(dòng)電路液晶顯示器必須用交流信號(hào)驅(qū)動(dòng)，而譯碼器輸出的信號(hào)是直流信號(hào)，采用驅(qū)動(dòng)電路把譯碼電路輸出的信號(hào)轉(zhuǎn)換成能夠驅(qū)動(dòng)液晶顯示的32赫茲的方波信號(hào)。4、步進(jìn)電機(jī)（馬達(dá)）步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開(kāi)環(huán)控制元步進(jìn)電機(jī)件。在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變

10、化的影響，當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度，稱為“步距角”，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運(yùn)行的。可以通過(guò)控制脈沖個(gè)數(shù)來(lái)控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時(shí)可以通過(guò)控制脈沖頻率來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。在指針式石英鐘表內(nèi)，步進(jìn)電機(jī)作為換能器，把秒脈沖信號(hào)變成機(jī)械輪系的轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)指針指示時(shí)間。三、 石英表的工作原理石英表總體的工作原理和過(guò)程是:1、 氧化銀扣式電池向集成電路提供特定電壓之后通過(guò)其中的振蕩電路和石英諧振器使石英振子起振，形成振蕩電路源。振蕩器產(chǎn)生32768赫的信號(hào)。振蕩器電路包括石英晶體振蕩器及C/MOS-LSI電路。2、 振蕩器電路包括微調(diào)電容器，用以調(diào)整快慢。3、 在分頻電路上，把從振蕩器電路輸入的振蕩信號(hào)32768赫茲進(jìn)行215次分頻，直至輸出的脈沖信號(hào)為1赫。4、 驅(qū)動(dòng)電路把分頻電路輸出的一秒鐘一個(gè)脈沖信號(hào)進(jìn)行放大，然后在一秒鐘的間歇時(shí)間內(nèi)交替地傳送正負(fù)脈沖信號(hào)至驅(qū)動(dòng)線圈上。5、 驅(qū)動(dòng)線圈接收了脈沖信號(hào)電流以后，步進(jìn)馬達(dá)即以每秒60。的角度，間歇地轉(zhuǎn)動(dòng)。6、 步進(jìn)馬達(dá)的轉(zhuǎn)動(dòng)，傳動(dòng)至輪列，從而帶動(dòng)秒、分、時(shí)針及日歷機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)。步進(jìn)馬達(dá)、秒、分、時(shí)針及日歷