精确计时:晶体振荡器，原子时钟和量子时钟

您是否想过如何在硬件上实现计时?如果你没有手表你会知道一秒有多长吗?“一秒”的定义从何而来?本文将解决这些问题。

计时是一个非常有趣的话题，也是一门非常奇特的艺术。我们都知道地球自转一周需要24小时，每小时是60分钟，每分钟是60秒，所以一秒一定是地球自转一周的1/(24*60*60)= 1/ 86400的时间。然而，地球自转一周实际上需要比24小时稍长的时间，这就是为什么我们有闰年来偶尔调整时间漂移。此外，许多其他因素导致这种精确运动的变化，使地球自转本身成为衡量时间的糟糕标准。

那么我们如何测量时间呢?幸运的是，有更可靠、更精确的自然现象可以用来标准化时间。1967年，科学家们认定，一秒钟相当于一个铯-133原子的9192631770次辐射循环。

时间在电子学中非常重要，它被用于其他测量，包括电压。雷竞技最新app根据不同的应用，电子设备可能需要不同的计时方式。以下是一些计时的方法及其应用。

石英晶体振荡器

石英晶体振荡器(QCOs)在微控制器、示波器、手表和其他消费电子产品中很常见。雷竞技最新app顾名思义，这种成分通常由石英晶体制成，它在化学和机械上都很稳定。它很难在不断裂的情况下永久变形，也不会经历太多的迟滞——当某个力使它振动时，它开始和停止得很快。

4MHz石英晶体振荡器组件。图片由核心电子产雷竞技最新app品。

在QCO中，当电场作用于晶体时，晶体会机械变形，产生压电效应(反之亦然)。当晶体恢复到原来的形状时，会以一致的速度振动，可以作为计时的参考。根据石英的切割方式，可以实现不同的振动模式。根据需要的频率或模式，不同类型的电路可以与晶体配对。例如，泛音模式可以帮助达到更高的频率，这可以通过将晶体振荡器电路与LC电路配对来实现。

许多因素可以影响QCO的稳定性:晶体的切割，它的质量和纯度，温度，湿度，甚至辐射。冲击还可以永久地改变频率。随着时间的推移，晶体的频率也会由于老化而漂移

原子钟

用来确定一秒持续时间的铯原子就是原子钟的一个例子。原子钟是以原子在绝对零度时电子能量跃迁的频率为基础的。在室内，气体会随着原子的状态变化而发生反应和振荡，因此必须进行调整，不仅要尽可能多地检测到状态变化，还要过滤掉温度变化等其他干扰。最终，将达到正确的频率，然后可以用作时间参考。

在NIST测量一秒的时钟每天漂移0.03纳秒，1亿年漂移1秒。所以，相当稳定和精确。

第一个原子钟相当大和笨重，但在2004年，一个芯片大小的原子钟问世了。它的功耗低，结构紧凑，可以在电池供电的设备上运行。

原子钟在很多时间敏感的应用中都需要高精度。例如，世界时间是由全球的几个原子钟来保持的。他们偶尔会检查共识并调整以配合多数。

原子钟也用于卫星导航系统，如GPS。如果没有精确的计时，GPS接收器的位置计算就会中断。

今年，深空原子钟(DSAC)将在近地轨道上进行测试。DSAC将使用水银离子，它在10亿年的时间内漂移不超过一秒。DSAC将用于深空无线电导航，并计划最终用于人类的实时导航。

深空aomic时钟。图片由美国国家航空航天局．

下一代原子钟:量子时钟和光学晶格时钟

其他时钟也被开发和试验过，提供了更可靠的计时。

量子时钟是一种原子钟，其中单个离子被激光冷却，并包含在电磁陷阱中。这些时钟通常使用铝或汞，并使用紫外线激光实现更高频率的振动。量子时钟比原子钟更精确，不受温度或电磁场背景噪声的影响。有趣的是，不可能确定它在测量秒时是否更准确，因为使用铯-133的标准不能用来测量比它本身更精确的东西。

光学晶格钟。图片由东京大学．

比量子时钟更精确的是光学晶格时钟。这个时钟在宇宙的生命周期中漂移不超过100毫秒。这个时钟是由含有锶原子的三维晶格组成的。激光被用来诱导原子的振动，这些原子被冷却到15纳米开尔文，并将保持长达15秒的相干。

计时对于硬件功能来说是必不可少的。对于因时间问题而产生的挑战，你有什么经验?在设备设计中保持时间如何?在下面的评论中分享你的想法。