Станислав Михаль - Часы. От гномона до атомных часов

В последнее время происходит дальнейшая миниатюризация схем, при которой кварцевый осциллятор проникает и в существенно меньшие по размеру женские наручные часы. Малые размеры таких приборов поставили их конструкторов перед рядом проблем. Проблему объема решили интегральные схемы, которые заменяют сложные схемы, состоящие из нескольких сот транзисторов. Вопрос о хорошей читаемости индикации времени на маленьком дисплее женских наручных часов решила фирма «Хьюгс Эйкрафт Компани», например, тем, что для своих кристаллических часов с осциллятором, колеблющимся на необычайно высокой частоте в 768 кГц, она ввела новый способ индикации времени, при котором через секундные интервалы сначала указываются часы, а затем минуты.

О проблемах миниатюрных источников питания уже говорилось. В настоящее время используют для питания наручных электронных часов маленькие ртутные элементы, например типа «Мэллори», с напряжением 1,35 В или серебряноокисные элементы с напряжением 1,5 и до 1,75 В. При потреблении тока в пределах от 5 до 20 мкА и емкости от 100 до 200 мА·ч их срок службы колеблется в пределах одного года и больше. Новым и безусловно перспективным решением является внедрение солнечных микробатарей с большим сроком службы. Если такую батарею подвергнуть в течение нескольких минут воздействию солнечного или даже искусственного освещения, то этого достаточно для восполнения электрической энергии, нужной для работы этих часов в течение суток.

Переход на более высокую частоту осциллятора, управляемого кристаллом кварца, сказывается на повышении точности хода часов. Хорошие наручные часы с кварцевым осциллятором работают теперь с годовой ошибкой, не превышающей 1 мин. Однако более быстрому коммерческому распространению таких часов мешает пока что сравнительно высокая стоимость интегральных схем.

На современных мировых рынках имеются теперь наручные часы с осциллятором, управляемым кристаллом кварца обоих типов, т.е. ЛЭД и ЛСД. Такие часы производят в настоящее время многие фирмы. К наиболее известным часам этого типа относятся, например, швейцарские часы «Лонжин S 776» (ЛСД), работающие с точностью ±0,3 с/сутки, выпущенные на рынок еще в 1975 г. Более дешевые типы цифровых кристаллических часов обоих видов со средней точностью в ±0,5 с/сутки производит швейцарская фирма SGT. Более же дорогие часы — это цифровые часы марки «Арнекскварц» (ЛЭД) американского производства с точностью ±0,1 с/сутки, причем эти часы указывают час, минуты, секунды, месяц и день. Весьма сложные наручные часы производит японская фирма «Сейко-Хаттори», тесно сотрудничающая с американской фирмой «Макдоннелл Дуглас Астронавтикз Компани». Ее наручные часы серийного производства — хронограф системы ЛСД, указывающий все обычные данные времени, — можно нажатием кнопки превратить в технические или спортивные часы, с помощью которых можно измерять два происходящих независимо друг от друга процесса с любым количеством промежуточных индикаций времени.

В чехословацких магазинах кристаллические наручные часы впервые появились в начале 1976 г. Первыми из них были часы «Мондейн Диджи Кварц» (ЛЭД), затем последовали часы «Цертина Диджи Кварц» (ЛСД) (рис. 38а) и «Рондо Кварц» (рис. 38б) с классическим циферблатом с указанием даты, с центральной секундной стрелкой. Все эти часы швейцарского производства работают с точностью ±1 с/сутки.

Человеческая фантазия, стимулируемая коммерческими интересами производителей и острой конкурентной борьбой на мировых рынках, вынуждает конструкторов разрабатывать все более сложные приборы многоцелевого назначения. Эти обстоятельства привели в последнее время и к производству кварцевых наручных часов, сочетающихся с другими измерительными приборами или с электронной миниатюрной вычислительной машиной, со сложными интегральными схемами, заменяющими работу нескольких тысяч транзисторов.

В 1962 г. американская фирма «Гамильтон Уотч Компани» получила патент на электрические балансовые наручные часы со встроенным микрорадиоприемником для приема радиосигнала, синхронизирующего ход часового механизма. Электрические импульсные сигналы в виде радиосигналов времени принимались и использовались для синхронизации частоты баланса наручных часов. Первоначальная конструкция, разработанная 15 лет назад, исходила еще из электроконтактной системы с балансовым осциллятором. Нынешняя техника интегральных схем в сочетании с высокочастотными кварцевыми осцилляторами воскрешает эту идею. При условии, что в международном масштабе были бы унифицированы частота передачи, вид модуляции и способ передачи информации о времени, можно было бы вновь вернуться к созданию системы синхронизации часов сигналами точного времени, передаваемого радиоволнами в целях весьма точного и надежного обеспечения измерения времени.

Если представить себе радиопередачу сигналов эталона времени на миллионы микрорадиоприемников, встроенных в наручные часы граждан земного шара, живущих в той же полосе, то мы поймем, насколько неэкономично и излишне сложно то, что в часах каждого из нас работает отдельный часовой механизм. Ведь его ход также приходится дополнительно корректировать по сигналу времени, передаваемому с центральной часовой станции, но делать это вручную. Напрашивается перспективное решение, согласно которому вместо часового механизма мы бы имели на своих «часах» лишь электронное устройство — радиоприемник с подходящим дешифратором сигналов времени, который дешифровал бы первоначальные сигналы от сильно удаленного передатчика и превращал бы их в оптические или акустические сигналы времени. Такой приемник имел бы совершенно незначительный расход энергии, поскольку энергия расходовалась бы лишь в тот момент, когда нажимается кнопка информации о времени, а во все остальное время приемник был бы выключен. Одновременно отпала бы надобность в сложной и сравнительно дорогой системе из кварцевых кристаллов и генераторов, делителей частоты и счетчиков колебаний, которые теперь являются обязательным элементом для выработки сигналов времени в каждых электронных часах с кварцем [23] Такая система нереализуема прежде всего в силу того, что показания времени в каждом часовом поясе разные, с учетом этого радиосистемы единого времени строятся по-иному. (Прим. науч. ред.) .

Если оценивать точность кварцевых часов с точки зрения их кратковременной стабильности, то надо сказать, что эта точность значительно выше, чем у маятниковых часов, которые, однако, при длительных измерениях обнаруживают более высокую стабильность хода [24] Это неправильно, современные кварцевые часы обеспечивают значительно более высокую точность, чем маятниковые — и кратковременную и долговременную (в 100 раз и более). (Прим. науч. ред.) . У кварцевых часов неправильность хода вызывается изменениями во внутренней структуре кварца и нестабильностью электронных систем.