[技术前沿]自制最好的石英钟

高级计时技术进入家庭。

我一直对精准计时技术很感兴趣。现今，我们主要依赖互联网或者来自GPS卫星、广播电台的无线电波提供的计时。但我想要一个不依赖外界也可良好运行的计时时钟，而且一定要比一般的数字时钟或微控制器中使用的石英晶体振荡器所提供的时间更准确，这些设备每天的时间偏差约1.7秒，一年的偏差超过10分钟。

当然，我可以买一个原子钟，原子钟里有一个铷振荡器，就是GPS卫星上使用的那种。（不是那种标称为“原子钟”的时钟，而是一种实际上依靠广播时间信号的时钟。）虽然铷钟的精度非常高，但它的价格高达几千美元。我需要介于两者之间的时钟，解决方法是恒温晶体振荡器，由于历史原因，这种振荡器一直被称为“OCXO”。用这样的振荡器，我花大约200美元就可自己制作一个时钟，其精度约为一般石英时钟的200倍。

像烤面包片一样的石英晶体(包装在内部，用红色标记)能够保持这个时钟的精确度在每天只些微偏差几分之一秒之内。

传统晶体振荡器最大的误差来源是温度变化。温度变化会导致石英膨胀或收缩，从而改变其共振频率。一种解决方案是跟踪温度变化对频率进行补偿，但最好不要一开始就改变频率，这就是OCXO的作用。

OCXO可以保持晶体恒温。为了避免因环境波动而不得不对晶体进行加热和冷却，晶体应保持加热至80℃左右，远高于其所处的环境温度。过去，OCXO耗电量大、体积庞大、价格昂贵，但最近几年来，出现了价格便宜、耗电更低的微型OCXO。我为我的时钟选择的Raltron OCXO售价58美元，其工作电压为3.3伏，稳定工作时耗电400毫安。

OCXO的共振频率为10兆赫。在我的时钟中，该信号被输入了一个4位计数器，每当二进制计数器从0000计数到1111时，就会输出一个脉冲信号，有效地将10兆赫信号除以16。然后，这个625千赫信号驱动Arduino Nano微控制器中的一个硬件计时器，该计时器每隔1/10秒触发一次程序中断，更新时钟的时基。（有关时序链和软件的工作原理的完整详情，请参阅《科技纵览》网站的相关文章，以及材料清单和印刷电路板文件。）用一个直接连接到Nano的旋转控制器就可以设置时间。

时序链以OCXO振荡器及其10兆赫信号开始，以显示器每秒更新一次结束。计时信号同步Nano微控制器中的硬件计时器，每秒触发Nano软件中的中断处理程序10次。可以通过更改软件来修改或添加许多的新功能。

Nano可以按秒、分钟和小时计时，还可驱动显示器。显示器使用了6个Adafruit的“CharliePlex FeatherWings”，它们是15×7的LED矩阵，亮度可控，且有多种颜色。每一个都由可寻址的I2C串行总线协议控制。这里出现了一个问题，由于CharliePlex本身仅有2个可用的I2C地址，因此，无法在单个总线上寻址6个时钟数字。我的解决方案是使用一个I2C多路复用器，它可以接收传入的I2C数据，并在6个独立的总线之间进行切换。

使用微控制器而不是离散逻辑芯片元件可以简化设计，并实现轻松修改和扩展。例如，很容易调整软件用自己设计的字体来代替数字或调整显示器的亮度。Nano上直接提供了串行接口，这意味着，可以将时钟作为其他设备的计时器或触发器。

为此，你可以完全省略显示器，从而大幅度缩小时钟的尺寸（但是必须修改软件控制显示器的启动验证）。时钟的印刷电路板被设计为可以分成两块，下面1/3用于放置微控制器、OCXO和其他辅助电子器件。上面2/3用于放置显示器和旋转编码器。通过添加的4个接头和2根连接线进行连接，可将印刷电路板制成各种物理形状，这位设计或选择时钟外壳时带来了更大的自由度。实际上，制作印刷电路板也许是整个过程中最具挑战性的部分，但为了最终设计所实现的硬件和软件灵活性，这是值得的。

印刷电路板(中间)可以分成两块，与计时相关的组件安装在下部，控制和显示组件安装在上部。

整个设备通过Nano的USB-C端口供电。需要USB-C才能提供足够的电流，因为时钟、OCXO和显示器需要的总电流超过了之前USB端口的500毫安标称最大电流。需要用一个电池组与该端口连接以防止因失掉电源而发生复位，使用那种流行纽扣电池的实时备用时钟毫无意义，因为计时精度不准确。

为了制作物有所值精准的时钟，我用一个HP 53150A频率计在电路中交叉检查了OCXO的输出。结果是，时钟每天的偏差不超过0.00864秒，一年的偏差不到3.15秒。实际上，其精准性可能比这更好，不过这已经达到了我用频率计进行测量所能达到的极限！希望你也可以自己制作一个，只需要几个小时的焊接工作即可，相信你会觉得这段时光很有价值。

作者：Gavin Watkins