石英表的工作原理说课讲解.doc

石英表的工作原理

精品资料
石英表的工作原理
一、 石英表的构造
石英表的关键部件如下图所示：

二、 石英表各部件的工作原理
1、 电池——提供石英表工作所需能源
石英表常用的是锌氧化银扣式电池。锌氧化银扣式电池（zinc-silver oxide button battery）是以银的氧化物作正极活性物质，锌作负极（根据金属活性而决定正负极）物质的碱性电池。它是小型的圆柱形锌氧化银一次电池，其高度尺寸小于直径，外形像钮扣，是一种密封式电池。该电池用氧化银与石墨混和压成片状作电池正极，锌粉加入添加剂压成片状作负极，氢氧化钾水溶液作电解质，正负极间用专用隔膜隔开。
2、 石英晶体振荡器——石英表内部核心
将二氧化硅（SiO2）结晶体按一定的方向切割成很薄的晶片, 再将晶片两个对应的表面抛光和涂敷银层, 并作为两个极引出管脚, 加以封装, 就构成石英晶体谐振器。石英晶体振荡器的关键在于利用了石英晶体的压电效应和谐振现象。
（1）、压电效应：某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷。当外力去掉后，它又会恢复到不带电的状态，这种现象称为正压电效应。当作用力的方向改变时，电荷的极性也随之改变。相反，当在电介质的极化方向上施加电场，这些电介质也会发生变形，电场去掉后，电介质的变形随之消失，这种现象称为逆压电效应，或称为电致伸缩现象。能产生压电效应的晶体就叫压电晶体。水晶（α-石英）是一种有名的压电晶体。如果按一定方向对水晶晶体上切下的薄片施加压力，那么在此薄片上将会产生电荷。如果按相反方向拉伸这一薄片，在此薄片上也会出现电荷，不过符号相反。挤压或拉伸的力愈大，晶体上的电荷也会愈多。如果在薄片的两端镀上电极，并通以交流电，那么薄片将会作周期性的伸长或缩短，即开始振动。石英电子表中有一个核心部件叫石英振子，其中应用的便是水晶可以制作压电石英薄片。

（2）、石英谐振现象：石英谐振器简称为晶振，它是利用具有压电效应的石英晶体片制成的。这种石英晶体薄片受到外加交变电场的作用时会产生机械振动，当交变电场的频率与石英晶体的固有频率相同时，振动便变得很强烈，这就是晶体谐振特性的反应。类似于我们熟悉的共振现象。石英表中常用的石英固有频率是32768赫兹。因为石英具有压电效应，加以交变电场之后，石英晶体的尺寸会发生变化，从而它的振动频率也随之改变，直到与交变电场的频率达到一致时，发生晶体谐振。根据晶体切片的厚度和角度不同就可以从而产生不同的谐振频率。
（3）、石英表的集成电路，全名为互补型金属一氧化物一半导体集成电路(Complementary Metal oxide -Semiconductor)缩写成CMOS。它控制了电子表的所有功能。CMOS集成电路，由石英振荡电路、分频电路、计数电路、译码电路、驱动电路、升压电路、及控制电路等组成，各部分电路的作用及原理概述如下：
a) CMOS石英振荡电路
表用CMOS石英振荡电路是由石英谐振器、CMOS倒相器、偏置电阻Rf及振荡电容C1、C2 等组成的，如下图所示。它的基本功能是用以产生32768赫兹的正弦信号作为手表的时间基准。途中BG1是P沟道增强型场效应管；BG2是N沟道增强型场效应管，两管栅极相连作为输入端，而漏极相连作为输出端；Rf 为偏置电阻，它使BG1 、BG2 构成的倒相器工作在线性放大区。C1为微调电容器，调整它的容量可以改变振荡电路的振荡频率，它的作用相当于机械表中的快慢针；C2 为固定电容器，其容量为20~40微微法；BW为石英谐振器，在电路中的作用等效于一个电感，与BG1 、BG2、 C1、C2 一起组成一个三点式振荡电路；D1、D2是BG1 、BG2 保护二极管，由于倒相器输入阻抗很高，通过静电感应可能产生极高的电压，此时二极管提供旁路以避免因静电感应而使栅极击穿。
CMOS倒相器的工作原理是：当输入端VG 为低电平是，nMOS管截止，pMOS管导通，由VDD 通过pMOS向电容C2 充电，VD 趋向低电平。可见输出电压总与输入电压反相，所以把这个电路称之为CMOS倒相器。当电源接通时，被倒相器放大了的与石英谐振器的振荡频率相同的谐波与石英谐振器发生压电谐振。此时，在BW、C1、C2组成的串联谐振回路里就有很大的与谐振频率相一致的交变电流通过。这一电流在 C1、C2 上产生很大的且相位相反的交变电压，C1 上的交变电压被反馈到倒相器的输入端。由于此反馈信号与原输入信号同相，因此就有加强了原来的输入信号。这个过程周而复始，使得石英谐振器的震动越来越强烈，达到一定程度时，就使倒相器进入非线性区，这时倒相器的增益下降，从而使石英谐振器始终稳定在某一振幅而不停地振动。此时，石英振荡电路就输出与石英谐振器 相同频率的基准信号，当石英谐振器的谐振频率为32768赫兹时，振荡电路就不停地输出32768赫兹的基准信号，然后将这一基准频率送入分频电路进行分频。

b) 分频电路
分频电路的 作用是把输入脉冲信号的频率成倍降低。电子表中采用的分频电路都是由二分频电路组成的，二分频电路能是输出信号的频率比输入信号的频率降低一半。如果石英振荡电路的振荡频率为32768=215 赫兹，则分频器要由15级相同的二分频电路级联而成，下图为分频电路框图。

c) 计数电路
计数电路是石英表的记忆装置，它不停地、准确地记录着时间。计数器实际上就是由数级二分频电路加上适当的门电路组成的，在电子表CMOS集成电路中设有：60进位的秒、分计数器，12或24进位的时计数器，28、30或31进位的日计数器，12进位的月计数器，7进位的周计数器等。
d) 译码电路
寄存在计数电路中的时间信息是以二进制来表示的。用译码电路把计数器所累计的时间通过显示器件以十进制数反映出来。液晶显示数字式适应电子手表的数字是七段显示单元，其译码电路是七段译码电路。下图a为电路示意图。
月、日、时、分、秒的七段显示单元如图b所示，周历显示用一个九段显示单元和一个八段显示单元，如图c所示，他们联合显示英文星期日至星期六的前两个字母，显示规律如图d所示。如果控制u、i、r段字段不显示，上两个显示单元就是七段显示单元。

e) 驱动电路
液晶显示器必须用交流信号驱动，而译码器输出的信号是直流信号，采用驱动电路把译码电路输出的信号转换成能够驱动液晶显示的32赫兹的方波信号。
4、步进电机（马达）
步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元步进电机件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，称为“步距角”，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。在指针式石英钟表内，步进电机作为换能器，把秒脉冲信号变成机械轮系的转动，带动指针指示时间。
三、 石英表的工作原理
石英表总体的工作原理和过程是:
1、 氧化银扣式电池向集成电路提供特定电压之后通过其中的振荡电路和石英谐振器使石英振子起振，形成振荡电路源。振荡器产生32768赫的信号。振荡器电路包括石英晶体振荡器及C/MOS-LSI电路。
2、 振荡器电路包括微调电容器，用以调整快慢。
3、 在分频电路上，把从振荡器电路输入的振荡信号32768赫兹进行215次分频，直至输出的脉冲信号为1赫。
4、 驱动电路把分频电路输出的一秒钟一个脉冲信号进行放大，然后在一秒钟的间歇时间内交替地传送正负脉冲信号至驱动线圈上。
5、 驱动线圈接收了脉冲信号电流以后，步进马达即以每秒60。的角度，间歇地转动。
6、 步进马达的转动，传动至轮列，从而带动秒、分、时针及日历机构转动。步进马达、秒、分、时针及日历机构之间存在着齿轮计数器。通过大小齿轮的反复结合，让一个齿轮转过一圈的距离而另一个齿轮只转过很小一个角度。例如，秒针的齿轮转过6度，秒针就走一格，即一秒。根据大小齿轮之间特定的传动比，秒针齿轮走整整一圈，带动分针齿轮走6度，即一分钟，以此类推。
7、 氧化银电池是电子电路和步进马达的能源，它可以在两年或更长的时间内，供应稳定的电能。

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