Деление частоты колебаний кварцевого осциллятора осуществляется для получения колебаний, частота которых в п раз меньше его резонансных колебаний. Главный переходный этап в последовательных делениях начальной частоты (100 кГц) составляет 1000 Г.
Деление частоты от 100 до 1 кГц осуществляется устройством, известным под названием преобразователя частоты (мультивибратора), или делителя частоты. Он состоит из дополнительной цепи триода, действующего синхронно с электрической цепью (рис. 263). Замечательным свойством цепей электронных ламп является то, что их действия могут быть легко согласованы. Таким образом, две цепи, спаренные между собой и настроенные на одну и ту же частоту, действуют в унисон. Лампы в этом случае работают как сопротивление с усилителем. Так как анод второй лампы присоединен к сетке первой, то те или иные изменения потенциала на сетке первой лампы, передаваясь на вторую лампу, действуют как усилитель, после чего ток проходит обратно к первой лампе. Этот цикл повторяется снова и снова, таким образом обеспечиваются автоколебания кварцевого генератора.
Кроме образования своей основной частоты, мультивибратор создает и много гармоник. Следовательно, он может быть настроен с основной частотой
10 кГц, а частота его десятикратной гармоники будет примерно такая же, как частота кварца (100 кГц). Когда эта основная частота (10 кГц) управляется и поддерживается кварцем, то она может попадать в такт с его часто той 100 кГц. Имея, таким образом, пониженную частоту до 10 кГц, можно за тем повторить действие с тем, чтобы понизить с 10 до 1 кГц, т. е. до частоты, при которой синхронный двигатель уже будет действовать.
Другой метод деления частоты основан на использовании генератора дробной частоты, или делителя, с регенеративным делением частоты, который может делить начальную частоту сначала на 2, а затем на 5 (рис. 264). Таким образом достигается понижение первоначальной частоты на 10. Этот процесс повторяется, чтобы осуществить следующую стадию деления от 10 кГц.
На рис. 261, б показаны этапы последовательного снижения частоты по средством мультивибратора двумя ступенями 1/10 и посредством регенеративного делителя ступенями 2 и 5.
Коэффициент деления должен быть в пределах от 103 до 106. На всем диапазоне частот необходимо обеспечить полную независимость коэффициента деления от напряжения источника тока, температуры окружающей среды, ста рения элементов схемы и от различных помех. Колебания на выходе схемы должны появляться только при наличии входного сигнала. Делители должны быть экономичными по расходу энергии и не громоздкими. В ряде случаев не требуется высокой стабильности по фазе, в частности при подаче тока на синхронный двигатель, поскольку точность последнего относительно невелика: по ворот на 1° при частоте 50 Гц соответствует 55 с.
На выходе делителей частоты имеется напряжение с частотой 1000, 500 или 250 Гц; оно подводится к синхронному электродвигателю, который при водит в движение механизм стрелок. Выходная ось двигателя делает один оборот в секунду. На оси укреплен кулачок, замыкающий контакты, дающие секундные импульсы. Они, однако, обладают меньшей стабильностью, чем полученные путем деления частоты до 1 Гц с применением декатрона. Помимо секундных импульсов, кварцевые часы имеют выходы высокостабильных синусоидальных сигналов с частотами 100, 10, 1 кГц, 100, а иногда и 10 Гц. Эти частоты используются для работы синхронных моторов и других устройств в различной измерительной аппаратуре и формируются на промежуточных ступенях делителей.
Синхронные двигатели, как и шаговые двигатели, срабатывают от импульсов электрического тока, которые возникают в электронной схеме часов по сигналу осциллятора. Колебательное движение кварцевого осциллятора пре образуется во вращательное движение двигателя с помощью электронной схемы.
Попутно — некоторые сведения о синхронных часах. Американец Генри Уоррен в 1918 г. изобрел для этих часов малогабаритный синхронный двигатель гистерезисного типа. Он питается от переменного тока с частотой 50 Гц. Число оборотов синхронного двигателя д=6 0 f/p, где / — частота и р — число пар полюсов. Синхронный двигатель Уоррена имеет одну пару полюсов. При частоте 50 Гц он делает 3000 об/мин. Скорость синхронного электродвигателя зависит только от частоты переменного тока и пар полюсов и не зависит от напряжения. Применение такого электродвигателя, в частности, для передачи движения на стрелки часов требует понижения скорости при помощи зубчатой передачи с передаточным числом 1/3ооо-
Электродвигатель Уоррена с самопуском, так как его ротор через 1 /2 5 с после включения в электрическую цепь сам начинает вращаться и не требует каких-либо пусковых приспособлений. Он плавно входит в синхронизм и устойчиво работает в режиме синхронного вращения.
Необходимость применения электродвигателей с меньшими, чем 3000 об/мин, скоростями вызвала создание многополюсных реактивных синхронных двигателей. Они, в отличие от двигателей Уоррена, без самопуска, и для включения их в действие нужны особые пусковые устройства.
Подробное техническое описание конструкции синхронного двигателя Уоррена и многополюсных реактивных двигателей приведено в книге Л. П. Шишелова.
Синхронные часы по своей конструкции совершенно отличны от механических и других часов. В них нет ни завода, ни регулятора, и если чем-либо они напоминают механические часы, то разве только наличием в их устройстве зубчатой передачи и стрелки на циферблате. На синхронные часы можно смотреть как на вторичный механизм, регулятором которого служат генераторы переменного тока центральной электростанции, питающей сеть, в которую включены часы. Для правильной работы синхронных часов необходимо строгое постоянство питающего их переменного тока.
Появление часов с синхронным двигателем знаменует совершенно новое направление в истории хронометрии. Его революционное значение заключается в том, что конструирование и создание часов перешло из рук часовщиков к людям науки и техники. По верному замечанию Хоуп-Джонса, прежнее преклонение «перед энтузиазмом часовщиков отпало». Со времени по явления кварцевых и атомных часов именно конструирование и изготовление часов стало всецело базироваться на достижениях науки и техники. И это стало основной тенденцией в развитии хронометрии.
В качестве источника энергии, необходимой для функционирования кварцевых часов, чаще всего используется сеть переменного тока. Благодаря трансформации и выпрямлению можно получить все необходимые стабильные напряжения. Однако в случае перерывов в работе сети надо иметь некоторый дополнительный источник энергии, и в качестве такового применяются аккумуляторы. Батарея, создающая различные необходимые напряжения, заряжается через выпрямитель. Трансформация постоянного тока в переменный достигается через вибропреобразователи, а также от статических преобразователей (умформеров, преобразователей частоты) на полупроводниковых триодах.
Малогабаритные кварцевые часы на полупроводниковых приборах. Начиная с 60-х годов нашего столетия в ряде стран (Швейцария, Франция, США) велись работы по созданию малогабаритных кварцевых хронометров взамен кварцевых часов, построенных на ламповых схемах. Габариты и вес кварцевых часов удалось довести до таких минимальных размеров, что они стали выполнять функции переносных приборов времени. Особое значение имели успехи, достигнутые в развитии техники микроминиатюризации радиоаппаратуры в полупроводниковой техники, в частности в области новых полупроводниковых приборов на туннельных диодах. На этом фоне немаловажное значение имели открывавшиеся возможности в применений: а) автономных источников электропитания, обеспечивающих их автономную работу в течение длительного периода (до 1 года и более) и узлов электрической схемы, экономичных по потреблению тока; б) низкочастотных кварцевых осцилляторов (на частоте 10 кГц и ниже); в) схем температурной компенсации, где роль термозависящего реактивного элемента выполняет подстроечный конденсатор, ротор которого вращается при деформации биметаллической пластинки или спирали; г) высокоэкономичных синхронных и шаговых электродвигателей.
Первый кварцевый хронометр, собранный на туннельных диодах, был разработан и изготовлен в США в 1960 г. Р. Уоттерсом. Схема собрана на четырех туннельных диодах и на одном транзисторе.
Шаговые электродвигатели в часовой технике заменили в электромеханических и электронно-механических приборах времени работу анкерных и храповых спусков для передачи импульсов на стрелку часов или на индикаторное устройство. Эти функции стал выполнять шаговый двигатель. В этом случае исполнительное устройство не имеет кинематической связи с кварцевым осциллятором, и потому последний не расходует кинетической энергии для приведения в действие исполнительного механизма. Колебания осциллятора становятся более свободными, а ход часов — более точным и стабильным. Вращение выходного вала в этом электродвигателе носит дискретный (шаговый) характер.
На Швейцарской выставке образцов 1960 г. впервые экспонировались малогабаритные кварцевые часы швейцарской фирмы «Филипп Патек». Они имеют объем всего 830 см3, включая батарею источников питания. Габариты часов 134X94X66 мм, вес 3,5 кг. Точность хода порядка 10-6 (±0,1 с в сутки), температурный диапазон работы 4—36°. Источник питания — аккумуляторная батарея на 70 часов без подзарядки. Потребление тока 15 мВт. Напряжение источника питания 1,25 В постоянного тока. Электрическая схема смонтирована по блочной системе на 14 транзисторах. Часы состоят из четырех блоков: кварцевого осциллятора, делителя частоты, усилителя и синхронного электродвигателя со стрелочным механизмом. Погрешность кварцевого осциллятора (имеющего температурную компенсацию) не превышает ±0,1 с в сутки в интервале изменения температуры от 0 до 50°.
Малогабаритные кварцевые хронометры выпускаются в разных странах не только радиотехническими фирмами, но и традиционными часовыми фирмами, занятыми изготовлением механических хронометров, такими, как «Па тек—Филипп» и «Нарден» (Швейцария), «Гамильтон» (США), «Лип» (Франция») и т. д. Они нашли применение в ряде областей науки и техники.
На Базельской ярмарке 1961 г. был представлен электронный хронометр с периодом колебаний 0,5 с. Прибор предназначен для морского флота. Основным элементом хронометра является транзисторная схема с кварцем и микро двигателем. Размер часов 200X150 мм.
Центральной электронной лабораторией (США) в 1961 г. создан хронометр с точностью хода ±5 с в год. Хронометр, как и все кварцевые часы, выполнен на основе кварцевого осциллятора с собственной частотой 100 кГц. Делитель частоты собран на трех туннельных диодах. На выходе делителя полу чаются напряжения со стабильной частотой 50 кГц, поступающие на питание синхронного двигателя. Питание схемы осуществляется от батарейки, имею щей размеры элемента для карманного электрического фонаря. Работа туннельных диодов отличается высокой стабильностью, а вся схема обладает малой чувствительностью к температурным колебаниям.
Двумя швейцарскими фирмами «Улис Нарден» и «Эбош» создан кварце вый морской хронометр габаритом 250X180X130 мм с приводом стрелочного механизма от синхронного двигателя с самопуском. Этими же фирмами выпущен малогабаритный морской хронометр (200X150X150 мм) с миниатюрным шаговым двигателем, обеспечивающим полминутные скачки секундной стрелки.
Швейцарская фирма «Лонжин» выпускает наиболее малогабаритный кварцевый хронометр: размер его всего 104X72X82 мм. В нем применен кварцевый осциллятор с частотой 12 кГц. Он снабжен специальной схемой термокомпенсации. Делитель частоты состоит из предварительного делителя с каскадом деления на 5 и двух параллельных каналов с коэффициентами деления соответственно 5,5 и 6,4. С выхода делителя частоты поступают сигналы времени с частотой 96 и 100 Гц, а сигнал с частотой 4 Гц, снимаемый с выхода схемы совпадения, подается на шаговый двигатель стрелочного механизма. Хронометр обладает большой точностью хода. При постоянной температуре +20° С он обеспечивает отклонение суточного хода-в пределах ±0,005 с, а в диапазоне температур от 4 до 36° С отклонение хода не превышает ±0,1 с.
Английская фирма «Автоматик телефон энд электрик компаний выпускает малогабаритный кварцевый хронометр ATE на транзисторах. Осциллятор имеет форму бруска прямоугольного сечения и работает на колебаниях изгиба. Собственная частота колебания кварцевого осциллятора равна 4,096 кГц. Кварце вый регулятор собран по схеме с термокомпенсацией. Отклонение частоты колебаний не выходит за пределы 0,2 с по суточному ходу, что превышает точностные требования к механическим морским хронометрам первого класса.
Во Франции выпускаются кварцевые хронометры для астрономических наблюдений в экспедициях и для определения траекторий ракет и самолетов с синхронным двигателем. Скорость вращения выходной оси двигателя 60 об/мин.
Применение кварцевых часов в астрономических обсерваториях. Высокое постоянство частоты кварцевого осциллятора позволило создать астрономические кварцевые часы и использовать их в обсерваториях вместо астрономических маятниковых часов. Они применяются группами по двое, трое и более. Поэтому блок-схема кварцевых часов, объединенных в группы, может быть представлена в несколько усложненном виде (рис. 265) по сравнению с обычной схемой кварцевых часов. В связи с этим возникает необходимость применения добавочных устройств, как то: умножителя частоты, контактного устройства для подачи сигналов точного времени, схемы сравнения между собой частоты кварцевых часов, образующих группу, и т. д.
Комплексный характер использования кварцевых часов в обсерваториях имеет следующие преимущества: 1) группа кварцевых часов продолжает работать, если даже один из них выйдет из строя (например, при перегорании лампы); 2) имеется возможность обнаружения неправильности в работе любых кварцевых часов; 3) обеспечивается высокая точность в течение долгого промежутка времени.