• ⇒Chronométrage précis : L'oscillateur à quartz, l'horloge atomique et l'horloge quantique.

    Vous êtes-vous déjà demandé comment le chronométrage est réalisé sur le matériel ? Si vous n'aviez pas de montre, sauriez-vous combien de temps dure une seconde ? D'où vient la définition d'une seconde ? Cet article abordera ces questions et bien d'autres encore.

    Vous êtes-vous déjà demandé comment le chronométrage est réalisé sur le matériel ? Si vous n'aviez pas de montre, sauriez-vous combien de temps dure une seconde ? D'où vient la définition d'une seconde ? Cet article abordera ces questions et bien d'autres encore.

    Le chronométrage peut être un sujet très intéressant et un art assez particulier. Nous savons tous qu'il faut 24 heures pour que la Terre effectue une rotation complète, que chaque heure est de 60 minutes, chaque minute 60 secondes.... et donc une seconde doit être le temps qu'il faut à la Terre pour faire 1/(24*60*60*60) = 1/86 400ème d'une rotation. Cependant, il faut en fait un peu plus de 24 heures pour faire une rotation complète de la Terre, ce qui explique pourquoi nous avons des années bissextiles pour nous ajuster occasionnellement à la dérive temporelle. En outre, de nombreux autres facteurs provoquent des variations dans ce mouvement exact, ce qui fait de la rotation de la Terre elle-même un mauvais étalon pour mesurer le temps.

    Comment mesurer le temps ? Heureusement, il existe des occurrences naturelles plus fiables et plus précises qui peuvent être utilisées pour normaliser le temps. En 1967, il a été décidé qu'une seconde équivaut à 9 192 631 770 cycles de rayonnement d'un atome de césium 133.

    Le temps est très important en électronique, car il est utilisé dans d'autres mesures, y compris la tension. Selon l'application, différents modes de chronométrage peuvent être nécessaires pour les appareils électroniques. Voici quelques méthodes de chronométrage et leurs applications.

     
    Oscillateur à cristal de quartz

    Les oscillateurs à quartz (QCO) se trouvent couramment dans les microcontrôleurs, les oscilloscopes, les montres et autres appareils électroniques grand public. Comme son nom l'indique, ce composant est généralement fabriqué en cristal de quartz, qui est à la fois chimiquement et mécaniquement stable. Il est difficile de se déformer de façon permanente sans se briser, et il n'a pas beaucoup d'expérience en termes d'hystérésis - lorsqu'une certaine force le fait vibrer, il commence et s'arrête rapidement.


     

    Un oscillateur à quartz de 4MHz. Image reproduite avec l'aimable autorisation de Core Electronics.

     

    Dans un QCO, lorsqu'un champ électrique est appliqué au cristal, il se déforme mécaniquement en réponse, produisant un effet piézoélectrique (et vice-versa). Le cristal vibre à un rythme constant lorsqu'il reprend sa forme d'origine et peut servir de référence pour le chronométrage. Selon la façon dont le quartz est coupé, différents modes de vibration peuvent être obtenus. Selon la fréquence ou le mode désiré, différents types de circuits peuvent être appariés avec le cristal. Par exemple, le mode harmonique peut aider à atteindre des fréquences plus élevées, ce qui peut être obtenu en jumelant le circuit oscillateur à quartz avec les circuits LC.

    De nombreux facteurs peuvent influer sur la stabilité du QCO : la taille du cristal, la qualité et la pureté du cristal, la température, l'humidité, voire le rayonnement. Le choc peut également modifier la fréquence de façon permanente. Avec le temps, la fréquence des cristaux dérivera également en raison du vieillissement.

     
    Horloge atomique

    L'atome de césium, qui sert à déterminer la durée d'une seconde, est un exemple d'horloge atomique. L'horloge atomique est basée sur la fréquence de la transition énergétique des électrons lorsqu'un atome à zéro absolu. Dans une chambre, les gaz réagissent et oscillent au changement d'état de l'atome, et doivent donc être accordés non seulement pour détecter autant de changements d'état que possible, mais aussi pour filtrer les autres bruits provenant de choses comme les changements de température. Éventuellement, la fréquence correcte sera atteinte et pourra être utilisée comme référence temporelle.

    L'horloge utilisée pour mesurer une seconde au NIST dérive de 0,03 nanosecondes par jour, avec une seconde de dérive en 100 millions d'années. Donc, assez stable et précis.

    Les premières horloges atomiques étaient plutôt grandes et encombrantes, mais en 2004, une horloge atomique de la taille d'une puce a été introduite. Il était faiblement alimenté et suffisamment compact pour être utilisable sur des appareils alimentés par batterie.

    Les horloges atomiques sont utilisées dans un grand nombre d'applications sensibles au temps et nécessitant une grande précision. Par exemple, l'heure mondiale est conservée par plusieurs horloges atomiques à travers le monde. À l'occasion, ils vérifient s'il y a consensus et s'ajustent en fonction de la majorité.

    Les horloges atomiques sont également utilisées sur les systèmes de navigation par satellite tels que le GPS. Sans chronométrage précis, les calculs pour la localisation d'un récepteur GPS seraient désactivés.

    Cette année, l'horloge atomique de l'espace profond (DSAC) sera lancée pour des essais en orbite terrestre basse. Le DSAC utilisera des ions de mercure, qui ne devraient pas dériver plus d'une seconde pendant un milliard d'années. Le DSAC sera utilisé pour la radionavigation spatiale profonde, avec des plans pour une utilisation éventuelle de la navigation en temps réel par des humains.

     

    Horloge atomique de l'espace lointain. Image gracieuseté de la NASA.

     
    La prochaine génération d'horloges atomiques : L'horloge quantique et l'horloge en treillis optique

    D'autres horloges ont été mises au point et expérimentées, ce qui permet un chronométrage plus robuste.

    L'horloge quantique est un type d'horloge atomique où les ions individuels sont refroidis par un laser et contenus dans un piège électromagnétique. Ces horloges utilisent généralement de l'aluminium ou du mercure, et utilisent un laser UV pour obtenir des fréquences de vibrations beaucoup plus élevées. Les horloges quantiques sont plus précises que les horloges atomiques et ne sont pas affectées par la température ou le bruit de fond des champs électriques et magnétiques. Il est intéressant de noter qu'il n'est pas possible de déterminer s'il est plus précis dans sa mesure de la seconde, puisque l'étalon utilisant le césium-133 ne peut pas être utilisé pour mesurer quelque chose de plus précis que lui-même.

     

     

    Horloge optique en treillis. Image reproduite avec l'aimable autorisation de l'Université de Tokyo.

     

    Encore plus précise que l'horloge quantique est l'horloge optique en treillis. Cette horloge ne dériverait pas plus de 100 ms sur la durée de vie de l'univers. L'horloge est composée d'un réseau 3D qui contient des atomes de strontium. Un laser est utilisé pour induire une vibration dans les atomes, qui sont refroidis à 15 nano Kelvins, et resteront cohérents jusqu'à 15 secondes.

     

    Le chronométrage est essentiel à la fonctionnalité du matériel. Quelle est votre expérience des défis posés par les problèmes de gestion du temps ? Que diriez-vous de garder le temps dans la conception de l'appareil ? Partagez vos pensées dans les commentaires ci-dessous.

    Traduction Simeria avec DeepL-Traductor

    Source

    Merci à Dhan Hurley pour la diffusion Anglaise de cet article sur Diaspora

     

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