第42章 三百年差一秒的鍾——晶體鍾(1 / 1)

有了高穩定晶體振蕩器,像在電子手表中一樣,隻能說有了一個高級的“電子擺”,它本身並不能構成一個完整的鍾。

高穩定晶體振蕩器的振蕩頻率一般為每秒2田萬—枷萬次,每一個振蕩周期隻有幾百萬分之一秒,即零點幾微秒,這樣小的時間刻度,對無線電技術和時間頻率的計量來說,已是很精確、很方便的了,但對於我們傳統的時、分、秒的計時觀念來說,這樣的時間刻度又嫌太小。

假如我們能夠對晶體振蕩器的標準信號加以變換,使其分別產生每秒振蕩一次、每分振蕩一次、每小時振蕩一次的信號……頻率越低,周期越長,這樣就和我們日常所用的鍾表一一對應起來。再將這些低頻信號通過數字形式或機械形式顯示出來,這就構成了一個由晶體振蕩器決定穩定性的標準時鍾——晶體鍾了。

現代電子學的發展,使人們很容易實現上述的設想。晶體鍾早已製造出來了,早在1927年,美國貝爾電話實驗室馬裏森第一個研製出晶體鍾,用來計量時間;1933年,東京天文台首先裝備了晶體鍾,用來保存準確的時間。發展到現在,晶體鍾在各個領域得到了更加廣泛的應用,無論是在計量局的標準室裏,還是在廣場的高大建築物上,或是在體育比賽的大廳裏,我們都可以發現晶體鍾的“蹤跡”。雖然它們的計時精度要求各不相同,但它們的基本工作原理都是一樣的。

晶體鍾一般是由下列幾部分組成的。高穩定晶體振蕩器將5兆赫(或2.5兆赫)標準信號送給第一個分頻器,分頻5×106次,得到每秒一周的信號,即“秒”信號;再通過第二個分頻器,分頻印次,就得到每60秒一周的信號即“分”信號;再經過第三個分頻器,繼續分頻印次,就得到每3600秒一周的信號,即“時”信號。將分出的秒、分、時信號送到譯碼顯示電路,就可以以數字形式顯示出××時、××分、××秒來,和石英手表一樣讀起來非常方便。現代的數字顯示方法多種多樣,有數碼管顯示,發光二極管顯示、液晶顯示及等離子顯示等。顯示的顏色有紅的、橙色的、綠色的……數字閃爍跳躍,十分直觀好看。

光是這樣還不夠,我們可以想象到,如果振蕩器不斷地輸出標準信號,時間一分一秒地積累起來,就會出現“25時××分××秒”的情況,時間再長會出現35小時、48小時……的情況,這就和我們實際應用產生了差異。所以還必須加上一套調整電路,當時間積累滿34小時後,使整個係統完全恢複到零位,計時再重新開始,這就是“複零電路”的作用。正像我們常用的鍾表一樣,指示的最大數值是12點,過了12點以後,指針的讀數又重新開始了。

如果我們用頻率變換的方法,將得到的秒信號驅動一個機械裝置——同步鍾,一個秒信號使同步鍾的秒針跳動一次,並帶動分針、時針,這就構成了一個機械指示的晶體鍾,這跟我們日常用的鍾表就更相似了。

講到這裏,需要特別指出,在信號變換過程中,並沒有改變高穩定晶體振蕩器的穩定度,得到的時、分、秒信號的穩定度仍然可保持在10-10量級。從這個意義上來說,高穩定晶體振蕩器就相當於普通鍾表裏的“機械擺”,它是穩頻的關鍵部件,所以有人管它叫做“晶體鍾擺”,也是有一定道理的。

如果1台晶體鍾的穩定度是1×10-10,那麼它相當於多少年差1秒呢?相當於317年差1秒,通常我們就說成3印年差1秒。這樣的鍾多準啊!如果我們每一代人按30年來計算,那麼3印年就整整是10代人的時間!這就是說,我們上溯10輩的先祖對準的鍾表,走到現在,隻不過才差上1秒鍾!