石英振荡器以设定的频率（周期）振荡，则振荡周期数目乘以设定周期即为时间间隔。然而，石英振荡器本身准确度有限，而且在外界环境的影响下，振荡器的频率还可能会发生大小未知的随机漂移，造成附加误差，因此必须有一个更高精度的频标对振荡器频率进行校准。为完成校准，首先必须对振荡器的真实频率进行准确测量。在原子钟系统中，利用频率综合技术，产生频率为的参考比较信号，再让该信号与选定原子跃迁频率作比较。原子能级间跃迁频率由原子结构决定，属于已知的参数，且准确度、稳定度高。于是该比较测量可以将根据结果通过控制电子电路进行相应调节，即可完成校准工作，准确度锁定到原子跃迁的精度。

原子钟工作示意图

由于激发态原子有自发辐射，因此严格来说原子的能级差也有不确定度，即原子线宽。该线宽限制了原子钟的精度。为了提高精度，应选择较小的两个原子能级构造二能级原子。通常的原子钟选择氢原子或碱金属原子铷、铯外层电子轨道运动基态中的两个不同的超精细能级来构造二能级系统。此时能级差对应频率在微波量级。原子钟是卫星定位系统的核心，也被应用在其他各类科学研究中。