晶振是如何做到记录时间的？

以下文章来源于力学科普，作者Bingo

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当你看着手机上精确跳动的数字时钟，是否想过：是谁在背后默默推动这些设备准确计时的？答案藏在一个小小的电子元件中——晶体振荡器，简称“晶振”。它是现代电子设备中不可或缺的计时核心，就像一颗无声的心脏，在不停跳动，为整个系统提供稳定节奏。那么，这个不起眼的小部件究竟是怎么“知道”时间的？它又是如何让各种设备按照精准的节奏运行的呢？

各种各样的晶体振荡器（图片来源：[1]）

微观世界的节拍器

晶振的工作原理看似复杂，其实核心思路并不难理解。我们都知道，古老的钟表是靠钟摆或者发条带动齿轮运转来记录时间的。这些机械结构通过重复、稳定的运动来“切割”时间。晶振在本质上扮演的角色也类似，它也是一种产生稳定震动的装置，只不过它震动的不是钟摆，而是石英晶体。

石英晶体的结构（图片来源：[3]）

所谓“石英晶体”，就是一种天然存在的二氧化硅矿物。当它被切割成特定角度和形状，并接入电路后，就会展现出一种奇妙的物理特性——压电效应。简单来说，当你对石英施加电压，它就会以极快的频率发生微小但规律的机械形变；而反过来，外界的震动也能使其产生微小的电流。这种特性可以用来制造一个“电子节拍器”：对晶体通电，它就会开始有规律地振动，电路再把这些震动转换成清晰的电信号。

压电效应原理示意图（图片来源：网络）

晶振最常见的频率是32.768 kHz，也就是说，每秒振动32,768次。为什么是这个奇怪的数字？因为它恰好是2的15次方，电子电路可以非常方便地通过15级的二进制计数器把它“除”成1秒。这就像设定好的节拍器每敲32,768下，系统就认定“一秒过去了”。

石英之所以精准，并非偶然

你也许会想：为什么非得用石英？地球上有这么多材料，为什么电子设备都偏爱这块无色的结晶体？答案要从几个方面说起。

1

稳定性

首先是稳定性。石英晶体具有非常好的频率稳定性，它的震动频率几乎不受普通环境温度、电压波动或时间老化的影响。在合理设计和加工条件下，石英晶振的误差可以控制在百万分之一到十亿分之一的范围内。也就是说，它每天的“误时”可能连一秒都不到，远远优于早期的机械钟表。

世界上第一台石英钟（1927年）（图片来源：网络）

2

资源丰富和加工成熟

其次是资源丰富和加工成熟。石英是地壳中含量极高的矿物之一，加工技术也非常成熟，可以用微米级别的工艺切割成特定几何形状，再封装成各种尺寸的元器件。无论是手表用的微型晶振，还是工业用的大型高频晶振，都可以批量生产，成本低廉且可靠性高。

天然石英矿和人造光学石英晶体（图片来源：[4]）

3

良好的机械强度和抗冲击能力

此外，石英还具有良好的机械强度和抗冲击能力。即使在日常跌落或振动环境中，它依然能维持稳定运行，这对于需要长时间、持续计时的电子设备来说至关重要。

从晶振到时钟电路：数节拍的人是谁？

晶振本身并不能直接显示时间，它的作用更像是“发出均匀节拍”。那么是谁在“听”这个节拍，并把它变成具体的时分秒？答案是——时钟电路。

在电子系统中，时钟电路通过“分频器”来统计晶振输出的每一次震动。例如，当系统检测到晶振完成了32,768次震动，就会输出一个脉冲信号，这个信号就代表“一秒”。类似的机制可以继续叠加：60个“秒脉冲”合成一分钟，60分钟合成一小时，依此类推。

分频器系统（图片来源：网络）

这个过程中没有真正意义上的“意识”或“记忆”，只有机械重复的电子逻辑判断和处理。这也正是数字系统的一大特点——它不依赖主观判断，全靠计数与规则。只要晶振输出是稳定的，系统对其震动次数的统计就是准确的，时间也就不会出错。

不同的晶振，服务不同的时间精度

虽然晶振的原理相似，但根据应用的不同，其类型和精度可以有巨大差异。在普通的电子表中，最基础的石英晶振就足够应付日常计时。它的精度可能每月误差几十秒，但对大多数人来说已经绰绰有余。

晶振的应用领域（图片来源：[5]）

而在手机、GPS、通信设备中，为了保证信号同步，就需要更高级的晶振，比如温补晶振（TCXO）和恒温晶振（OCXO）。温补晶振通过加入温度传感器和补偿电路，让晶体在不同温度下依然保持精准震动；而恒温晶振则干脆在一个“微型保温箱”中恒温控制晶体温度，进一步减少误差。这种晶振的精度可以提升几个数量级，适用于对计时严苛的领域。

温补晶振的原理图（图片来源：网络）

在一些极端高精度需求中，比如金融高频交易系统、卫星导航甚至粒子加速器，晶振的误差必须低到皮秒级，这时候就可能使用原子钟作为参考，再用晶振跟随原子钟同步工作，从而实现纳秒级别的时间掌控。

泳姿中的“鞭打腿”，是先以髋部发力驱动大腿，再经小腿传递至脚掌，使速度像鞭子一样逐层放大，能在脚尖释放出最大的推水力。这种动作不仅提高了推进效率，还能保持身体流线型和节奏连续性，是自由泳、蝶泳、蛙泳等方式实现高速前进的关键动力机制。

参考文献

[1]https://mp.weixin.qq.com/s/JqyCQVxxDdVfVVF9f2FtyQ

[2]https://ciechanow.ski/mechanical-watch/

[3]https://mp.weixin.qq.com/s/UphCk5gRA3yME5NcJ24t4g

[4]https://mp.weixin.qq.com/s/pZhtDTHK6XFFCjdcOwyJfA

[5]https://mp.weixin.qq.com/s/3iQdtM9ON7U5eHC5-_4kgA

[6]https://mp.weixin.qq.com/s/DIlLJm4kLIGobpWs2ru-Cg

[7]贺旭东,张一帆,董超.一种高频率稳定度模拟温度补偿晶体振荡器[J].压电与声光,2024,46(05):685-689+694.

图片源自于网络，仅供科普参考

来源：力学科普

编辑：子木

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