Viele Uhren sind mit einem Quarzwerk ausgestattet, das eine sehr genaue Zeitmessung zu minimalen Kosten ermöglicht. Quarzkristalle, die in vielen elektronischen Geräten üblich sind, bieten eine konsistente Methode zur Zeitmessung über einen weiten Bereich von Umgebungsbedingungen. Die Batterie, die die meisten Quarzuhren antreibt, kann aufgrund der Energieeffizienz des Kristalls Jahre halten.
Theorie der Arbeitsweise
Der Quarzkristall erzeugt eine konstante Impulsfolge, typischerweise mit einer Rate von 32.768 Schwingungen pro Sekunde (Hz). Ein elektronischer Schaltkreis überwacht diesen Impulsstrom und gibt einen Impuls für jeweils 32.768 Eingangsimpulse aus, die er empfängt. Dieser Ausgangsimpuls hat nun eine Frequenz von einem Impuls pro Sekunde und ist die Zeitreferenz für die Uhr. Die Anzeige wird einmal pro Sekunde aktualisiert.
Quartz Kristall
Ein Quarzkristall ist ein kleines Stück entweder hergestellt oder natürlich vorkommend
Siliciumdioxid. Dieser Kristall hat eine spezifische Größe und Orientierung und hat gut definierte physikalische Eigenschaften. Siliziumdioxid hat eine piezoelektrische Eigenschaft, dh es vibriert, wenn es einer elektrischen Spannung ausgesetzt wird. Die Schwingung hängt vom Schliff des Kristalls ab und ist trotz Temperaturänderungen sehr stabil.Oszillatorschaltung
Bei Anschluss an einen Quarzkristall erzeugt eine Oszillatorschaltung einen stetigen Impulsstrom basierend auf der charakteristischen Frequenz des Quarzes. Für eine Uhr ist eine Frequenz von 32,768 kHz üblich. Eine Batterie versorgt die Oszillatorschaltung, die unabhängig von Temperatur, Spannungsschwankungen oder Bewegung der Uhr einen konstanten Frequenzausgang liefert.
Teilen-durch-Schaltung
Der Ausgang des Oszillators wird in eine als Zähler bezeichnete Schaltung eingespeist. Diese Schaltung zählt die Anzahl der Eingangsimpulse, die sie empfängt, und gibt einen einzelnen Ausgangsimpuls aus, wenn sie einen vorbestimmten Wert erreicht. Für das Beispiel mit 32,768 kHz wird ein 15-Bit-Zähler verwendet. Ein 15-Bit-Zähler erzeugt einen Ausgangsimpuls für alle 32.768 Eingangsimpulse, die er empfängt, und gibt daher einen Impuls pro Sekunde aus.
Zeitanzeige
Die Zeitanzeige einer Quarzuhr kann analog oder digital erfolgen. Bei einer analogen Anzeige bewegt ein kleiner Schrittmotor den Sekundenzeiger für jeden Impuls um 1/60 des Umfangs der Uhr. Eine digitale Anzeige aktualisiert die Sekundenziffern der Anzeige für jeden Impuls um eins.