Некоторые вещи, к которым мы совсем привыкли, а иногда считаем очень устаревшими и простыми — при ближайшем рассмотрении могут быть гораздо сложнее, чем кажется.На мой взгляд самыми неожиданно сложными, пусть и кажущимися устаревшими вещами являются кварцевые часы и пленочные фотоаппараты. Доступными их сделали сотни лет развития мирового индустриального производства и многие миллиарды потраченные на R&D.
Кварцевыми часами в этот раз мы и займемся. В качестве пациента — наручные часы Луч Белорусского производства, которые мне подарили в незапамятные времена.
Сами часы выглядят просто и аскетично. Провода — это уже моя самодеятельность, результаты которой будут в конце статьи:
На обратной стороне — видим микросхему, которая из 32768 Гц кварца генерирует 0.5Гц меандр. Меандр подается на катушку с диким количеством витков (сопротивление 2.5кОм), который и приводит в движение механику. Движение в обе стороны продвигает стрелку на 1 секунду.
Ближе. Зубчатые колеса с шагом 200мкм. Тут их еще вероятно выдавливали штампом, а самый писк технологий — вырезать их ионным травлением, по той-же технологии, по которой MEMS производят:
Конечно взглянем по-ближе на микросхему (кликабельно). 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.
После травления металла:
Остался сам кварц: классический tuning-fork в металлическом корпусе. Корпус запечатан стеклом. На сам кристалл напылены электроды:
На краю кварца видна какая-то непонятная черточка… Взглянем поближе (кликабельно):
Enhance 224-176:
Enhance 34-36:
Определенно, частоту кварца подстраивали импульсным лазером. До лазеров — на заводах аккуратно и по чуть-чуть механически полировали пока не попадут (с допуском ошибки не более 0.004% — то еще было занятие...). Но что это за пирамидки по всей площади? 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.
Управление плоскостью среза кварца — и позволило ему завоевать мир (вместе с наличием пьезоэлектрического эффекта). Выбирая направление среза кристаллической решетки кварца — можно управлять зависимостью ошибки частоты резонанса от температуры. 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.
Выбирая более сложное направление среза кварца — можно найти варианты с двумя пересечениями нуля, что дает мЕньшую ошибку в широком температурном диапазоне. 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).
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).
Как ни удивительно, мир совершил полный виток — и возвращается к механическим MEMS осцилляторам со всеми их недостатками и зависимостями от внешнего мира. С температурной зависимостью борются жесточайшей калибровкой и цифровой компенсацией. 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). Все это затеяли ради меньших габаритов (особенно толщины) и бОльшей технологичности производства.
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.
В качестве курьеза
Конечно, попробовал разогнать часы, подключив к генератору сигналов. Если на штатной частоте часы идут при амплитуде всего 1В, то ускорение в 394x требует уже 4.8V, 507.4x — 7V и наконец 582x — 10V.
600x, чтобы 10 минут за 1 секунду пролетало — не удалось дожать никак, но и 582 движения в секунду — уже немало.
Эти высокие частоты — «резонансные», есть всего несколько герц, где часы будут подхватывать такую задающую частоту. И если отступить от нее на 1-2 Гц вниз — часы пойдут в обратную сторону:
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.
Комментарии (35)
DWCT
10.12.2018 09:29До выпуска именно кварца, Луч делал «электронно-механические» механизмы 3045 и 3055. Если интересуют «неожиданно сложные» вещи — рекомендую к изучению :)
Alexeyslav
10.12.2018 10:22Эта «змейка» вверху чипа разве не силовой транзистор? Уж больно похоже на большую параллельную структуру рассчитанную на большой ток.
Там на выходе схемы точно меандр? Может, всё-таки более короткие импульсы… а то получается не очень рациональное использование энергии батарейки.
580Гц это видимо механический предел для этих часов… если убрать стрелки, возможно механика преодолеет этот предел!
Кварц все-таки на 32768Гц, и делитель 15-битный, который даёт 0.5Гц после целочисленного деления. А то в начале было подумал что кварц и правда на 32кгц и какое-то ноу-хау как эту частоту ровно поделить до 0.5гц проще(иначе зачем такое решение) чем банальным двоичным счетчиком вроде того как это сделано для 561ИЕ8.proton17
10.12.2018 10:48Не, силовые транзисторы так не делают, затвор в виде змейки имеет очень большое сопротивление (обычно делаю в виде гребешка расчески). Судя по всему змейка сделана и поликремния. Обычно так делают резисторы. А полигон снизу больше похож на конденсатор, так что мне кажется что это некий RC контур. А нужна она скорее всего для того, что бы запустить генератор. Кварц нужно сначала как бы пнуть)
BarsMonster Автор
10.12.2018 11:41Да, именно на высокоомный резистор я и думал, для снижения энергопотребления.
amartology
10.12.2018 17:25+1Это точно резистор, вопрос в том, он там как балластный стоит (для снижения напряжения питания цифровой части и, как следствие, потребления, чтобы от батарейки работало), или как часть схемы запуска.
Питание от батарейки на вход резистора приходит или куда-то еще?BarsMonster Автор
11.12.2018 09:46Фотографию поликремния добавил (их там 2), но радикально понятнее мне не стало…
amartology
11.12.2018 13:10Мне тоже, именно потому, что там их два.
Судя по тому, что там происходит с двумя лежащими друг на друге слоями поликремния — это все же RC-цепь, а не просто резистор. Я бы предположил, что это входной фильтр шумов по питанию, но его проще и логичнее сделать внешним. В озвученную выше версию стартового конденсатора тоже не бьется то, что тут мизерная емкость на самом деле, а площади сожрано много.
Nibi
11.12.2018 03:47Скорее всего это RC по питанию — выходное сопротивление батарейки-таблетки довольно высокое, а во время импульса нужен относительно большой ток (хоть и кратковременно).
Таким образом сглаживаются скачки по питанию и продлевается жизнь батарейке.Alexeyslav
11.12.2018 12:09По питанию очень врятли — тратить на конденсатор площадь кристалла? Проще внешний повесить с сильно лучшими характеристиками. К тому же индуктивность катушки судя по всему очень высока, там проблем нет с импульсами при переключении, наоборот ток растёт плавно до номинального.
Alexeyslav
10.12.2018 11:44+1А там собственно при частоте в 1Гц малое сопротивление особо и не нужно, наоборот срежут скорость переключения. Было бы интересно посмотреть выход этой схемы на осциллографе на активную нагрузку в виде резистора в 2-3кОм. Особенно фронты. Но, как понимаю, это уже невозможно… Заодно, кстати можно было частотомером(измерив период с выхода) измерить точность резонатора. Она наверняка уже уплыла в космос из-за старения и вероятных ударов.
zzzmmtt
10.12.2018 12:14+1В механических/электромеханических часах нет шестерёнок, там колёса.
vanyas
10.12.2018 12:35А можно фото, а то не понятно, что за колеса, на трении что-ли вместо зубцов работают?
zzzmmtt
10.12.2018 13:22+4Это устоявшаяся терминология, равно как корабли ходят по морям. Ну и не забываем, что зубчатое колесо и есть шестерня.
ARD8S
10.12.2018 19:55Нас учили, что ведомое-колесо, ведущее-шестерня. Это неправильно?
Дополнительно, может кто ответит мне на вот такой вопрос:
У некоторых часовых механизмов были такая проблема- часы шли назад, но не шли вперёд. Механизм работает.
Пытался решать размагничиванием/намагничиванием ротора, но решить проблему не выходило.
tushev
10.12.2018 12:15+1Вроде как разломали и уничтожили раритетное изделие. Но сделано это с уважением. Теперь это не просто железяка валяющаяся у кого то на полке. Это достояние общественности, и каждый увлеченный данной тематикой, может изучить изделие во всех подробностях, а не просто оценить внешний вид.
rstepanov
10.12.2018 16:09У вас на нижней фотке слева красненький фрезерный станок, сам на такой облизываюсь, но никак не решусь купить. Расскажете как вы его используете и какие впечатления?
BarsMonster Автор
10.12.2018 18:32+2Думаю накатать статейку, конструкция лучше и жестче чем классические «большие» китайские роутеры, но шпиндель хуже. Алюминий грызет норм мелкими фрезами. Главное — магнитные материалы не пилить, стружку замагнитит в двигатель и конец всему. Шпиндель там самое слабое место.
Но для пластика и алюминия норм.Alexeyslav
11.12.2018 12:12Пластиковый кожух использовать? с магнитами внутри… пыль если и пойдёт, «прилипнет» снаружи кожуха.
Stas911
11.12.2018 07:32У меня в школе были самые дешевые кварцевые часы «Полет» — так такой точности часов у меня с тех пор не было (ну или мне просто пофиг стало) — подводил их 2 раза в год на секунды буквально, когда время переводили
Alexeyslav
11.12.2018 12:14Могло просто повезти с конкретным экземпляром… статистически это возможно, хоть маловероятно.
8street
11.12.2018 17:27Ну и сейчас кварц качественный. У меня часы современные дешевые Casio, не корректировал время ни разу с тех пор, когда зимнее время отменили. Точность до сих пор в пределах минуты.
zhela
11.12.2018 15:00Михаил — это просто монстр. Его материалы каждый раз слегка мозговзрывающие. Самый крутой чел из рб
Andy_Big
Если движение в обе стороны продвигает стрелку на 1 секунду, то, вероятно, меандр все же с частотой 1 Гц (или 2 Гц, зависит от того как электромагнит взаимодействует с механикой, а об этом в статье почему-то ни слова) :)
vesper-bot
Я его так понял, что движение в *любую* сторону продвигает стрелку на 1с. Отсюда и 0.5Гц, так как за полный период должно пройти две секунды, и стрелка сдвигается дважды за две секунды.
BarsMonster Автор
Совершенно верно
Andy_Big
Тогда, наверное, корректнее было бы написать «движение в любую сторону продвигает стрелку на 1 секунду» :)