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铷钟与晶振的区别解析

  什么是铷钟

铷钟又被称为铷原子钟, 铷频标是一种被动型原子频率,利用的是基态超精细能级之间的跃迁,铷原子钟由铷量子部分和压控晶体振荡器组成。铷原子频标短期稳定度最高可达到10-12量级,准确度为±5&TImes;10-11,具有体积小、精度高的特点。

铷频率标准不需要真空系统、致偏磁铁和原子束,因而体积小、质量小、预热时间短、价格便宜,但准确度差、频率漂移比较大,仅能用作二级标准。铷频率标准可通过GPS进行快速驯服和外秒同步,克服铷振荡器本身的漂移,可被看作是一个基本的同步时钟单元。通过设计和工艺的改进,产品的可靠性和批量生产也得到保证,现已具备产业化的条件。可以预计,这种带外秒驯服的高性能小型化铷钟将应用于无人值守等苛刻环境,将大大拓展铷钟的应用领域。

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  铷钟的基本原理

铷原子钟主要由单片机电路、伺服电路、微波倍频电路、频率调制、倍频综合电路几个模块组成。

铷频标是一种被动型原子频率,利用的是基态超精细能级之间的跃迁,相应的跃迁频率为6834.682614MHz。原子迁跃对微波信号起鉴频作用而产生误差信号,通过锁相环路伺服晶振的频率,使激励信号频率锁定到原子跃迁频率,实现晶振输出频率的高度稳定和准确。

铷钟的工作原理与其他原子钟一致,均是使用能级跃迁理论来测定时间:原子是按照围绕在原子核周围不同电子层的能量差,来吸收或释放电磁能量的。这里电磁能量是不连续的。当原子从一个高“能量态”跃迁至低的“能量态”时,它便会释放电磁波。这种电磁波特征频率是固定的,这也就是人们所说的共振频率。通过以这种共振频率为节拍器,原子钟可以来测定时间。例如:假定特定原子的共振频率为1000Hz,则该原子能级跃迁时释放的电磁波振动1000次的时间即为1m秒。

时钟源材质基本上都是石英晶振,给石英施加交变电压便会产生规律的正弦波。少数顶级电路会采用铷钟,铷钟的精度可以保持10天不差10皮秒,这个精度足以使任何人听不到变化。

  什么是晶振

晶体振荡器是指从一块石英晶体上按一定方位角切下薄片(简称为晶片),石英晶体谐振器,简称为石英晶体或晶体、晶振;而在封装内部添加IC组成振荡电路的晶体元件称为晶体振荡器。其产品一般用金属外壳封装,也有用玻璃壳、陶瓷或塑料封装的。

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  晶振的原理

晶振在电气上它可以等效成一个电容和一个电阻并联再串联一个电容的二端网络,电工学上这个网络有两个谐振点,以频率的高低分其中较低的频率是串联谐振,较高的频率是并联谐振。由于晶体自身的特性致使这两个频率的距离相当的接近,在这个极窄的频率范围内,晶振等效为一个电感,所以只要晶振的两端并联上合适的电容它就会组成并联谐振电路。这个并联谐振电路加到一个负反馈电路中就可以构成正弦波振荡电路,由于晶振等效为电感的频率范围很窄,所以即使其他元件的参数变化很大,这个振荡器的频率也不会有很大的变化。

其次来谈下晶振的基本分类:晶体振荡器也分为无源晶振和有源晶振两种类型。无源晶振需要借助于时钟电路才能产生振荡信号,自身无法振荡起来;有源晶振是一个完整的谐振振荡器。石英晶体振荡器与石英晶体谐振器都是提供稳定电路频率的一种电子器件。石英晶体振荡器是利用石英晶体的压电效应来起振,而石英晶体谐振器是利用石英晶体和内置IC共同作用来工作的。

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