Хабрахабр

Гикпорн наручных кварцевых часов «Луч» — и немного оверклокинга

Некоторые вещи, к которым мы совсем привыкли, а иногда считаем очень устаревшими и простыми — при ближайшем рассмотрении могут быть гораздо сложнее, чем кажется.

Доступными их сделали сотни лет развития мирового индустриального производства и многие миллиарды потраченные на R&D. На мой взгляд самыми неожиданно сложными, пусть и кажущимися устаревшими вещами являются кварцевые часы и пленочные фотоаппараты.

В качестве пациента — наручные часы Луч Белорусского производства, которые мне подарили в незапамятные времена. Кварцевыми часами в этот раз мы и займемся.

Провода — это уже моя самодеятельность, результаты которой будут в конце статьи:
Сами часы выглядят просто и аскетично.

5Гц меандр. На обратной стороне — видим микросхему, которая из 32кГц кварца генерирует 0. 5кОм), который и приводит в движение механику. Меандр подается на катушку с диким количеством витков (сопротивление 2. Движение в обе стороны продвигает стрелку на 1 секунду.

Шестеренки с шагом 200мкм. Ближе. Тут их еще вероятно выдавливали штампом, а самый писк технологий — вырезать шестерни ионным травлением, по той-же технологии, по которой MEMS производят:

На первый взгляд в самом низу — осциллятор для кварца, далее основной цифровой фарш — делитель на 65536, роль «змеек» в верхней части до конца пока не понятна. Конечно взглянем по-ближе на микросхему (кликабельно).


Если кто-то захочет для тренировки полную схему восстановить (уверен, трюков, наработанных десятилетиями тут много) — пишите, сниму еще и метал для удобства, тут он толстый и через него почти ничего не видно.

Корпус запечатан стеклом. Остался сам кварц: классический tuning-fork в металлическом корпусе. На сам кристалл напылены электроды:

На краю кварца видна какая-то непонятная черточка… Взглянем по-ближе (кликабельно):

Enhance 224-176:

Enhance 34-36:

До лазеров — на заводах аккуратно и по чуть-чуть механически полировали пока не попадут (с допуском ошибки не более 0. Определенно, частоту кварца подстраивали импульсным лазером. 004% — то еще было занятие...).

Часовой кварц пилят так, чтобы срез был по плоскости XY кристаллографической ориентации, а при любых операциях (травлении, механической обработке) — кристаллы любят разрушаться по направлениям своей кристаллической решетки, в данном случае — оставляя пирамидки в направлении Z. Но что это за пирамидки по всей площади?

Выбирая направление среза кристаллической решетки кварца — можно управлять зависимостью ошибки частоты резонанса от температуры. Управление плоскостью среза кварца — и позволило ему завоевать мир (вместе с наличием пьезоэлектрического эффекта). При срезе по XY у tuning-fork — «нулевая» перетяжка графика ошибки частоты получается в районе 25-30°С, что обеспечивает почти нулевую ошибку при ношении на руке.

Так появились популярные срезы — AT (99% кварцев такие) и SC (лучше подходит для сверх-стабильных генераторов с «печкой», имеет ровную «полку» в области повышенных температур). Выбирая более сложное направление среза кварца — можно найти варианты с двумя пересечениями нуля, что дает мЕньшую ошибку в широком температурном диапазоне.

Механические же осцилляторы полностью механических часов имеют гораздо бОльший температурный коэффициент (да и много от чего еще зависят — силы завода, направления вектора гравитации, магнитного поля).

С температурной зависимостью борются жесточайшей калибровкой и цифровой компенсацией. Как ни удивительно, мир совершил полный виток — и возвращается к механическим MEMS осцилляторам со всеми их недостатками и зависимостями от внешнего мира. Все это затеяли ради меньших габаритов (особенно толщины) и бОльшей технологичности производства. Для достижения высокой добротности — эти высокотехнологичные механические осцилляторы работают в вакууме, что делает их работу ненадежной в атмосфере Гелия, который может проходить сквозь кремниевый корпус (эта проблема на слуху из-за нашумевшей неработоспособности последних iPhone в атмосфере 2% гелия).

Но кварц из-за своих уникальных свойств (низкий КТР, пьезоэффект, управление формой графика резонансной частоты от температуры направлением среза кристалла, jitter) останется незаменимым во многих применениях в обозримом будущем.

Если на штатной частоте часы идут при амплитуде всего 1В, то ускорение в 394x требует уже 4. В качестве курьеза
Конечно попробовал разогнать часы, подключив к генератору сигналов. 4x — 7V и наконец 582x — 10V. 8V, 507.

600x, чтобы 10 минут за 1 секунду пролетало — не удалось дожать никак, но и 582 движения в секунду — уже немало.

И если отступить от нее на 1-2 Гц вниз — часы пойдут в обратную сторону:
Эти высокие частоты — «резонансные», есть всего несколько герц, где часы будут подхватывать такую задающую частоту.

Cамое сложное в этой статье оказалось — не вытравить микросхему в кипящей кислоте, а записать видео так, чтобы тикание часов слышно было. Очень уж современный мир приучает к шуму. А тут даже пришлось генератор сигналов в соседнюю комнату относить — иначе гул трансформатора все глушил.

Если статья понравилась — можете поддержать проект на Patreon и — читайте более короткие заметки о вскрытиях микросхем на zeptobars.com.

Теги
Показать больше

Похожие статьи

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Кнопка «Наверх»
Закрыть