世界上那么多材料，憑什么只有石英能記錄時間？

當你看著手機上精確跳動的數字時鐘，是否想過：是誰在背后默默推動這些設備準確計時的？答案藏在一個小小的電子元件中——晶體振蕩器，簡稱“晶振”。它是現代電子設備中不可或缺的計時核心，就像一顆無聲的心臟，在不停跳動，為整個系統提供穩定節奏。那么，這個不起眼的小部件究竟是怎么“知道”時間的？它又是如何讓各種設備按照精準的節奏運行的呢？

各種各樣的晶體振蕩器（圖片來源：[1]）

微觀世界的節拍器

晶振的工作原理看似復雜，其實核心思路并不難理解。我們都知道，古老的鐘表是靠鐘擺或者發條帶動齒輪運轉來記錄時間的。這些機械結構通過重復、穩定的運動來“切割”時間。晶振在本質上扮演的角色也類似，它也是一種產生穩定震動的裝置，只不過它震動的不是鐘擺，而是石英晶體。

石英晶體的結構（圖片來源：[3]）

所謂“石英晶體”，就是一種天然存在的二氧化硅礦物。當它被切割成特定角度和形狀，并接入電路后，就會展現出一種奇妙的物理特性——壓電效應。簡單來說，當你對石英施加電壓，它就會以極快的頻率發生微小但規律的機械形變；而反過來，外界的震動也能使其產生微小的電流。這種特性可以用來制造一個“電子節拍器”：對晶體通電，它就會開始有規律地振動，電路再把這些震動轉換成清晰的電信號。

壓電效應原理示意圖（圖片來源：網絡）

晶振最常見的頻率是32.768 kHz，也就是說，每秒振動32,768次。為什么是這個奇怪的數字？因為它恰好是2的15次方，電子電路可以非常方便地通過15級的二進制計數器把它“除”成1秒。這就像設定好的節拍器每敲32,768下，系統就認定“一秒過去了”。

石英之所以精準，并非偶然

你也許會想：為什么非得用石英？地球上有這么多材料，為什么電子設備都偏愛這塊無色的結晶體？答案要從幾個方面說起。

01

穩定性

首先是穩定性。石英晶體具有非常好的頻率穩定性，它的震動頻率幾乎不受普通環境溫度、電壓波動或時間老化的影響。在合理設計和加工條件下，石英晶振的誤差可以控制在百萬分之一到十億分之一的范圍內。也就是說，它每天的“誤時”可能連一秒都不到，遠遠優于早期的機械鐘表。

世界上第一臺石英鐘（1927年）（圖片來源：[]）

02

資源豐富和加工成熟

其次是資源豐富和加工成熟。石英是地殼中含量極高的礦物之一，加工技術也非常成熟，可以用微米級別的工藝切割成特定幾何形狀，再封裝成各種尺寸的元器件。無論是手表用的微型晶振，還是工業用的大型高頻晶振，都可以批量生產，成本低廉且可靠性高。

天然石英礦和人造光學石英晶體（圖片來源：[4]）

03

良好的機械強度和抗沖擊能力

此外，石英還具有良好的機械強度和抗沖擊能力。即使在日常跌落或振動環境中，它依然能維持穩定運行，這對于需要長時間、持續計時的電子設備來說至關重要。

從晶振到時鐘電路：數節拍的人是誰？

晶振本身并不能直接顯示時間，它的作用更像是“發出均勻節拍”。那么是誰在“聽”這個節拍，并把它變成具體的時分秒？答案是——時鐘電路。

在電子系統中，時鐘電路通過“分頻器”來統計晶振輸出的每一次震動。例如，當系統檢測到晶振完成了32,768次震動，就會輸出一個脈沖信號，這個信號就代表“一秒”。類似的機制可以繼續疊加：60個“秒脈沖”合成一分鐘，60分鐘合成一小時，依此類推。

分頻器系統（圖片來源：網絡）

這個過程中沒有真正意義上的“意識”或“記憶”，只有機械重復的電子邏輯判斷和處理。這也正是數字系統的一大特點——它不依賴主觀判斷，全靠計數與規則。只要晶振輸出是穩定的，系統對其震動次數的統計就是準確的，時間也就不會出錯。

不同的晶振，服務不同的時間精度

雖然晶振的原理相似，但根據應用的不同，其類型和精度可以有巨大差異。在普通的電子表中，最基礎的石英晶振就足夠應付日常計時。它的精度可能每月誤差幾十秒，但對大多數人來說已經綽綽有余。

晶振的應用領域（圖片來源：[5]）

而在手機、GPS、通信設備中，為了保證信號同步，就需要更高級的晶振，比如溫補晶振（TCXO）和恒溫晶振（OCXO）。溫補晶振通過加入溫度傳感器和補償電路，讓晶體在不同溫度下依然保持精準震動；而恒溫晶振則干脆在一個“微型保溫箱”中恒溫控制晶體溫度，進一步減少誤差。這種晶振的精度可以提升幾個數量級，適用于對計時嚴苛的領域。

溫補晶振的原理圖（圖片來源：網絡）

在一些極端高精度需求中，比如金融高頻交易系統、衛星導航甚至粒子加速器，晶振的誤差必須低到皮秒級，這時候就可能使用原子鐘作為參考，再用晶振跟隨原子鐘同步工作，從而實現納秒級別的時間掌控。

參考文獻

[1]https://mp.weixin.qq.com/s/JqyCQVxxDdVfVVF9f2FtyQ

[2]https://ciechanow.ski/mechanical-watch/

[3]https://mp.weixin.qq.com/s/UphCk5gRA3yME5NcJ24t4g

[4]https://mp.weixin.qq.com/s/pZhtDTHK6XFFCjdcOwyJfA

[5]https://mp.weixin.qq.com/s/3iQdtM9ON7U5eHC5-_4kgA

[6]https://mp.weixin.qq.com/s/DIlLJm4kLIGobpWs2ru-Cg

[7]賀旭東,張一帆,董超.一種高頻率穩定度模擬溫度補償晶體振蕩器[J].壓電與聲光,2024,46(05):685-689+694.