Электронные часы

Иллюстрация: Максим Чатский

Сердце электронных часов — кварцевый генератор. Он вырабатывает электрические импульсы с высокой точностью. Как маятник у механических часов, только работает гораздо быстрее.

Пьезоэлектрический эффект так же используется:

  • — в пьезозажигалках для получения искры,
  • — в микрофонах для преобразования звуковых волн в электромагнитные,
  • — для сверхточного управления положения головки жесткого диска,
  • — для подачи чернил в некоторых типах струйных принтеров.

Работу кварцевого генератора обеспечивает пьезоэлектрический эффект. Кварц — это такой кристалл, который изменяет свою форму, когда по нему проходит электричество, и наоборот: при изменении своей формы он вырабатывает электричество обратно.

Главная деталь генератора — пластинка из кварца нужного размера. От размера зависит частота собственных механических колебаний пластинки. Эту пластину закрепляют между двумя электродами, на которые подается переменный ток. Пластинка сгибается от тока и при разгибании сама вырабатывает электрический импульс. Частота этих импульсов равна частоте разгибаний – собственных механических колебаний пластинки.

Для электронных часов обычно используются генераторы с частотой 32768 герц, это 32768 импульсов в секунду. Такая частота удобна с технологической точки зрения, ведь это 2 в 15 степени. Чтобы понизить эту частоту до 1 герца надо уменьшить частоту в два раза 15 раз подряд.

Время течет куда медленнее, чем генератор вырабатывает электрические импульсы. Значит, нужно уменьшить количество импульсов до одного в секунду (1 герц). Для этого используется делитель частоты. Это электронная схема, которая уменьшает частоту входящих сигналов. На входе мы получаем 32768 герц, а на выходе — 1 герц. То, что нужно — часы могут показывать секунды.

Чтобы вывести время у нас есть три цифровых дисплея: секунды, минуты и часы. Раз в секунду мы получаем электрический импульс, который отправляем на дисплей с секундами, его значение увеличивается на один. Параллельно этот импульс отправляем на следующий делитель частоты, который уменьшает частоту в 60 раз: получаются минуты и отправляются на дисплей с минутами. Следующий делитель обеспечивает дисплей с часами.

Электронные часы со стрелками работают почти так же, только обходятся одним делителем. Электрический импульс раз в секунду приходит на миниатюрный электрический двигатель. Тот поворачивает шестеренку, двигающую секундную стрелку. Дальше работает механика: все преобразования для минутной и часовой стрелок идут через систему шестеренок.

Слово «циферблат» пришло к нам из немецкого языка и переводится как «листок с числами». Как правило, он представляет собой пластину с делениями, обозначающими часы и минуты, а также другие единицы измерения. Такие пластины используются как в часах, так и в других измерительных приборах.

Чаще всего на циферблате можно увидеть от 1 до 60 отметок, стоящих на равном расстоянии друг от друга. Точки или линии располагаются по периметру пластинки, рядом с ними могут быть изображены цифры. С помощью часовых, минутных и секундных стрелок мы можем определить значение — назвать указанное время.

При выборе циферблата мы задаем себе два основных вопроса: «Насколько удобно определять время?» и «Насколько красиво это выглядит?». Выбор чаще всего основан на личных вкусах и требованиях к дизайну. Пытаясь совместить красоту и комфорт, мы можем выбрать классические часы со стрелками или более оригинальные варианты индикации времени. Сегодня можно найти модели на любой вкус, но из сотен видов циферблатов не так просто выбрать один.

Какие бывают циферблаты в часах?

Вид пластины с делениями зависит от способа отображения времени. Существует четыре основных способа и соответствующих им вида циферблата:

  • аналоговый;
  • цифровой;
  • комбинированный;
  • бинарный.

Каждый из них имеет свои преимущества и особенности функционирования.
Аналоговый дисплей имеют часы, показывающие время с помощью стрелок, которых может быть от одной до трех. Этот вариант считается классическим, он используется в механических и кварцевых часах.

Дорогие модели часов обычно выпускают именно с таким циферблатом, поскольку он выглядит солидно и респектабельно. В зависимости от дизайна пластина может соответствовать любому стилю и статусу. Используется как в наручных, так и в настенных, карманных часах.

Существует четыре вида разметки:

  • арабская;
  • римская;
  • комбинированная;
  • метки.

Цифровая индикация используются только в электронных часах. Для отсчета времени в них встроен кварцевый генератор, колебания которого отражаются на экране. Он получает питание от переменного тока или от химических элементов питания, как миниатюрные батарейки в наручных часах. Такие часы обычно не только отображают время, но и обладают рядом дополнительных функций — будильником, калькулятором, радиоприемником.

На комбинированном циферблате присутствуют и стрелки, и электронные цифры. Такие часы называют гибридными, относится это к кварцевым моделям. Двойная индикация дает возможность пользоваться сразу двумя способами определения времени.

Часы с такими дисплеями чаще всего тоже многофункциональные. На бинарных часах нет ни стрелок, ни электронных чисел. Время определяется с помощью светодиодов, встроенных в табло. Они могут быть расположены по кругу, как в аналоговом варианте, в несколько рядов или колонок.

В бинарных моделях десятичные цифры заменяет двоичный код. Чтобы узнать текущее время, придется совершить подсчеты: сложить суммы значений, которым соответствуют светящиеся диоды. Таким образом, можно узнать время с точностью до секунд. Внешний вид подобных циферблатов наиболее оригинален, поскольку напоминают головоломку и меньше всего похож на классические часы.

Пластины отличаются также по материалу, использованному для производства, и нанесенным на нее узорам. В большинстве моделей используются металлы, в том числе и драгоценные, а также стекло и пластик. Преимущество остается за прочными материалами, которые способствуют сохранности механизма.

Что касается декоративных элементов, то их наносят с помощью разных техник — гравировка, печать, гильоширование. Популярность приобрели необычные материалы и нестандартные техники нанесения узоров. Наряду с этим востребованы и скелетоны — модели без циферблата.

Советы по выбору часов в зависимости от циферблата

При выборе часов нужно учитывать многие характеристики, но прежде всего — собственные интересы. Этот аксессуар многое говорит о вкусах, статусе и характере хозяина. И все же ориентироваться стоит не только на внешний вид вещи, но также на ее практичность и долговечность.

Прежде всего, нужно выбрать подходящий вам вид циферблата. Если остановились на стрелочном варианте, то выбирать можно из механических и кварцевых часов. Механика всегда в цене и в моде, но более высокую точность хода обеспечивает именно кварцевый кристалл.

В большинстве современных моделей батарейку можно заменить самостоятельно, поэтому замена элемента питания не доставит неудобств. Но при возникновении любых других проблем часы лучше отнести специалисту и не открывать крышку самостоятельно.

По аналоговым часам можно очень быстро определить время — достаточно одного взгляда, чтобы распознать значения. Это универсальный способ чтения, который остается наиболее популярным уже не одну сотню лет. Вы сможете безошибочно ориентироваться во времени и получать точный результат.

Кроме того, стрелочный циферблат дает неисчерпаемые возможности для дизайнерских решений. На нем можно расположить не только декоративные элементы, но также окошки с дополнительными функциями. Если же вам нужны часы, по котором легко ориентироваться в темноте, то лучше выбрать электронные.

На табло хорошо видны горящие цифры, а в некоторых моделях есть специальная подсветка, которая позволяет рассмотреть дисплей в любое время суток. Такой вариант также подходит для людей с плохим зрением — крупные и яркие знаки увидеть проще, чем небольшие точки и цифры.

Электронный способ индикации подходит для спортсменов и для всех, кому нужно знать время с точностью до секунды. В этом небольшом корпусе собрано много функций, которые могут пригодиться как в повседневной жизни, так и в туристических походах или на соревнованиях.

Если вам необходим универсальный прибор, который служит часами, секундомером, будильником, термометром, пульсометром, калькулятором, компасом и даже записной книжкой, то это электронные часы. Их точность ниже, чем у механических, но при этом погрешности легко можно отрегулировать.

Подобными преимуществами обладают и часы с комбинированной индикацией. У них также широкий функционал и надежный кварцевый механизм. Такие модели устойчивы к низким температурам, воде, грязи и другим возможным повреждениям, поэтому подходят как для повседневного использования, так и для путешествий и походов.

В смешанных моделях объединяются преимущества электронных и аналоговых. По стрелкам можно быстро считать неточные диапазоны значений, а с электроникой можно увидеть наиболее четкий результат. Считывается он мгновенно и не требует времени на обработку.

Комбинированные часы подходят для любой ситуации. Они выглядят достаточно солидно, позволяют не перегружать себя информацией, если в этом нет потребности. Их можно использовать как в спорте, засекая результаты с максимальной точностью, так и дома, когда достаточно знать время примерно.

Бинарные же часы актуальны в том случае, если вы хотите обзавестись тренажером для памяти и готовы совершать простые арифметические операции перед тем, как ответить на вопрос «Который час?».

Главные принципы выбора часов

При покупке часов стоит ориентироваться не столько на бренд и цену, сколько на качество и функциональность. Если вам нужна вещь, которая будет служить долго и верно, то стоит обратить внимание на классические модели. Универсальный дизайн — это более выгодно, чем модный бренд, который завтра может утратить актуальность.

Долговечность зависит также от ухода за аксессуаром, поэтому не забывайте чистить его и вовремя менять батарейки в кварцевых механизмах. Стоит помнить, что кварц всегда точнее механики, но речь идет о погрешности на несколько секунд в год.

Лучшие наручные часы вы сможете выбрать, если доверитесь своему вкусу. Зная преимущества и недостатки различных часовых механизмов и способы индикации времени, можно выбрать то, что наиболее соответствует вашим потребностям. Аналоговые часы — это точность и престиж, электронные — скорость восприятия и дополнительные функции, а смешанные такие преимущества объединяют.

Проанализируем как должно работать разрабатываемое устройство. Часы обязательно должны содержать устройство измерения времени, которое в свою очередь всегда состоит из генератора эталонных интервалов времени и счётчика этих интервалов. Структурная схема устройства измерения времени приведена на рисунке 1.


Рисунок 1. Структурная схема устройства измерения времени

В качестве генератора эталонных импульсов в различное время использовали различные устройства. Это и вытекание воды или песка из какой-либо ёмкости и движение тени от солнца по циферблату и даже горение нити в огненных китайских часах.

В простейшем случае генератор импульсов эталонной длительности должен вырабатывать минутные импульсы. В простейшем случае генератор импульсов эталонной длительности должен вырабатывать минутные импульсы. Однако реализовать стабильный генератор такой длительности достаточно сложно. Даже в механических часах в качестве генератора импульсов эталонной длительности использовался маятник с периодом колебаний от одной до нескольких секунд.

В качестве генератора эталонных импульсов мог бы подойти кварцевый генератор, так как этот тип генераторов обладает высокой стабильностью колебаний. Но кварцевые генераторы вырабатывают колебания в диапазоне от 1 до 30 МГц. Это соответствует временным интервалам от 0.03 до 1 мкС. Тем не менее, если воспользоваться делителем частоты, выполненном на двоичном счетчике, то можно получить импульсы с периодом 1 минута.

Выберем частоту работы кварцевого генератора. Здесь можно использовать кварцевый резонатор с частотой 32768Гц, предназначенный для использования в часах. Этот резонатор специально разрабатывался для применения в часах, поэтому его частота кратна степени двойки (215 = 32768). В результате можно использовать обычный двоичный делитель.

Здесь хотелось бы отметить, какая грандиозная задача была решена разработчиками кварцевых кристаллов. Дело в том, что если посчитать длину акустической волны в кварце, то кварцевый резонатор получился бы впечатляющих размеров. Толщину кристалла кварца можно определить по общеизвестной формуле для длины волны. Как известно скорость распространения звуковой волны в кристалле кварца равна 5570м/с, тогда длина волны будет равна:

L = v/f = 5570/32768 = 17см где v — это скорость звука в кристалле кварца; f — резонансная частота.

То есть толщина кварцевого резонатора должна быть как минимум равна половине длины волны — 8,5см. Ну, как, впечатляет? Длина кварцевого кристалла соответственно должна быть, по крайней мере, в пять раз больше. Казалось бы, это неразрешимая проблема для малогабаритных и дешёвых устройств, однако разработчики кварцевого резонатора сумели решить её.

Первым решением проблемы является то, что низкочастотные кварцевые резонаторы изготавливаются с использованием не объемных, а поверхностных волн. Точнее крутильных колебаний. В результате в резонаторе используется вся его длина. Скорость распространения волны по поверхности кварца значительно ниже скорости распространения волны в его объеме и равна 3515м/с. Однако даже в этом случае размеры кварцевого резонатора получаются значительными:

L = v/f = 3515/32768 = 10,7см где v — это скорость звука в кристалле кварца; f — резонансная частота.

Решением проблемы оказалась разработка кварцевого резонатора, реализованного по принципу камертона. В таком резонаторе возбуждаются не объемные колебания, а колебания двух параллельно расположенных стержней, как это показано на рисунке 2.

В такой конструкции частота резонанса зависит от упругости кварца, длины и толщины зубьев получившейся вилки камертона.

Стоимость часовых кварцевых резонаторов оказалась минимальной из всех кварцевых резонаторов. Благодаря своей распространённости, малой цене, габаритам и малой частоте часовые кварцевые резонаторы начинают применяться практически во всех цифровых устройствах.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *