天文觀測和時間計量的主要工具，又稱天文鐘。十七世紀開始使用的天文時計主要是天文擺鐘。二十世紀二十年代末出現瞭石英鐘。五十年代又出現瞭原子鐘。原子鐘不僅是一種天文觀測的工具，而且是原子時計量的標準。
天文擺鐘 1656～1657年，惠更斯根據伽利略發現擺的等時性原理，發明瞭擺鐘。擺鐘不僅為天文觀測提供瞭方便，而且成為守時工具。擺鐘的最大優點是，在一定的擺幅內擺動週期隻與擺長有關關。天文擺鐘都用秒擺，擺的長度為990毫米。擺長變化0.025毫米時，每天鐘的速率變化為1秒。這相當於溫度變化2.2℃時金屬擺桿的長度變化。擺的擺動動力在早期用掛錘的重力，後來用電能。保持擺長恒定的方法是用補償擺，即用溫度系數小的擺桿（如銦鋼、石英等），並將鐘安放在恒溫室內。
最精確的天文擺鐘為1924年出現的雪特擺鐘，它由兩個分離的擺鐘（子鐘和母鐘）組成。子鐘受母鐘控制，並與母鐘同步，指示時刻（時、分、秒）；母鐘則置於低氣壓金屬筒內以減少擺的阻力。每半分鐘有一個脈沖能量加給母鐘的擺，以維持擺動。擺桿和擺錘均用銦鋼制造。通常把母鐘放在恒溫室內，每天的誤差為千分之幾秒。
石英鐘 1929年，出現瞭石英鐘，經過不斷改進，精度大為提高，到五十年代初期已完全代替瞭天文擺鐘。目前，高精度石英鐘誤差已達到幾十年不大於一秒。石英鐘的核心部件是一個利用石英的壓電效應原理制成的晶體振蕩源。晶體懸掛在保溫的絕熱盒內。晶體振蕩的頻率非常穩定，頻率的變化主要取決於溫度、氣壓和電路電壓的變化。石英鐘的振蕩頻率多為5.0兆赫和2.5兆赫。用分頻電路將很高的振蕩頻率分為100千赫、1千赫及秒脈沖，最後用同步馬達帶動鐘面或用數字電路推動數字鐘面。
原子鐘 利用能量狀態經過選擇的原子，在微波諧振腔中進行量子躍遷，從而獲得相應能級間躍遷所發射或吸收的電磁波的固有頻率，根據這種原理制成的鐘稱為原子鐘。1949年，美國國傢標準局利用氨的吸收譜線制成瞭氨分子鐘，這是最早出現的一種原子鐘。後來美國和蘇聯又分別利用氨的發射譜線制成瞭脈澤型氨分子鐘。由於氨分子譜線中心雜亂，氨分子鐘不能成為計量時間和頻率的標準，逐漸被淘汰。1955年，英國的埃森等人首先制成基於銫的基態的超精細能級躍遷的銫原子鐘。它的出現，使時間頻率計量精度產生瞭一個飛躍。此後氫原子鐘、銣原子鐘等相繼出現，發展非常迅速。1967年起，以銫原子鐘的躍遷頻率為基礎，規定瞭原子時的秒長，成為目前時間計量的標準。
目前三種常用原子鐘的性能比較
原子鐘通常由原子頻標、晶體振蕩器伺服電路和石英鐘構成。它是利用微觀系統原子（或分子）固有的某些特性作為基礎，因而具有迄今為止已知的任何時計都無可比擬的優點。它有極高的準確度和穩定度；有極好的復制性，即一個原子鐘從一次開機到下一次開機，或一個原子鐘與另一個原子鐘所指示的時間或頻率，幾乎完全相同。
原子鐘大致分為有源和無源兩大類。有源原子鐘主要有氨分子鐘、氫原子鐘和銣氣泡原子激射器鐘等。無源原子鐘主要有銫原子鐘、鉈原子鐘、氧化鋇分子鐘和銣氣泡標準鐘等。在這些原子鐘中，銫、銣、氫等三種原子鐘較為成熟，而且用途廣泛。
原子鐘是現代最準確、最穩定的時間和頻率的標準，由原子鐘提供的原子時，已成為三大物理量之一的時間的基準。目前，原子鐘正向高度可靠性、小型化、多用化方向發展，已出現某些新品種，如可變形大儲存泡氫原子鐘、氫自由束原子鐘、銣束原子鐘、離子儲存原子鐘、激光照射碘分子束吸收原子鐘以及激光照射甲烷的飽和吸收原子鐘等。
原子鐘由於準確度和穩定度很高，而得到廣泛的應用。對於人造衛星和導彈的制導、空間跟蹤、數字通訊、甚長基線射電幹涉技術、相對論效應的驗證、地球自轉的不均勻性的研究、基本物理量的定義和測量、無線電波的傳遞速度的測量以及電離層研究等方面，原子鐘都是一種重要的儀器。