DE2850295C3 - Zeithaltendees Gerät, insbesondere Quarzgroßuhr mit elektronisch geregeltem Anzeigesystem - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein zeithaltendes Gerät insbesondere Quarzgroßuhr, mit elektronischen Frequenzteilern sowie einem elektronisch gesteuerten Motor mit einer Arbeitswicklung und einer Steuerwicklung, der ein Anzeigesystem antreibt, wobei nur eine Drehzahl des Motors oberhalb der Nenndrehzahl steuerbar einstellbar ist, wozu die zeithaltende bistabile Kippstufe nach Eingang des Soll-Impulses vom Zeitnormal ein zwischen Teiler und Ausgangsverstärker angeordnetes Gatter ansteuert

Bei bekannten Motorantrieben der infragestehenden Art, wird der Rotor mit Impulsen entsprechend der Drehzahl des Rotors mit verschiedener Breite und in verschiedenen Abständen angetrieben.

Diese Antriebsimpulse haben z. B. in CMOS-Schaltkreisen steile Ein- und Ausschaltflanken. In die Steuerspule werden folglich Nadelimpulse induziert, welche am Steuereingang unerwünscht sind bzw. die Logik der Integrierten Schaltung stören. Der Steuereingang ist grundsätzlich mit einem Trigger-Level versehen, welcher die Störimpulse erkennt und somit die Logik mehr Impulse zählt als tatsächlich am Steuereingang (entsprechend der Motordrehzahl) anliegen.

Üblicherweise wird hier ein Kondensator parallel zur Steuerspule geschaltet um diese Nadelimpulse bzw. hohe Frequenzen kurzzuschließen.

Messungen haben gezeigt, daß dies nur begrenzt möglich ist oder nur mit erheblichem Aufwand z. B. mit RC-Gliedem. Diese Möglichkeit ist jedoch aufwendig und hat den Nachteil, daß ein erheblicher Spannungsabfall entsteht und somit am Steuereingang eine nicht ausreichende Spannung zur Verfügung steht

Höhere Windungszahlen für die Sieuerspule sind hier nur eine begrenzte Möglichkeit Nachteile sind Volumen, Kosten und Wirkungsgrad der Steuerspule.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, vom Eingang einer zur Ansteuerung eines elektrisch gesteuerten Motors der eingangs genannten Art

ι ο dienenden logischen Schaltung Störimpulse, die zu einer fehlerhaften Ansteuerung führen, mit geringem Aufwand ohne Herabsetzung der Eingangsspannung der logischen Schaltung und ohne eine Veränderung der Steuerwicklung fernzuhalten.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst

Die Erfindung läßt die verschiedensten Ausführungsmöglichkeiten zu. Anhand eines in der einzigen Figur der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles, das den Stromlaufplan für eine Tischweckuhr (Quarz-Analog-Weckuhr) zeigt, soll der der Erfindung zugrundeliegende Gedanke näher erläutert werden.

Die Schaltungsanordnung weist einen Zeit-Referenz-Kreis, der im wesentlichen aus einem Schwingkreis und einem frequenzbestimmenden Quarz 1 besteht Der Schwingkreis enthält einen Inverter 2, der als Verstärker mit unendlich hoher Verstärkung ausgelegt ist sowie einen Rückkopplungswiderstand 3. An je einem Anschluß des frequenzbestimmenden Quarzes 1 einerseits sowie an Masse andererseits sind 2 Kondensatoren angeschlossen, und zwar ein Trimmkondensator 4, mit dem vom Hersteller oder Uhrmacher die exakte Schwingfrequenz eingestellt werden kann sowie ein Lastkondensator 5, der etwa die gleiche Kapazität hat wie der Trimmkondensator 4 in seiner Mittel-Stellung.

Der Zeit-Referenz-Kreis liefert eine Frequenz von 419 4304 Hz, die in nachgeschalteten Frequenzteilerkette 6,7 heruntergeteilt wird.
In der ersten Frequenzteilerkette 6 sind 22 Flipflops 8—29 hintereinander geschaltet, so daß das am Eingang der Frequenzteilerkette 6 anstehende 4,19-MHz-Signal bis auf eine Sekunde heruntergeteilt wird.

Die zweite Frequenzteilerkette 7 weist dagegen nur 13 Flipflops 30—42 auf, d. h. das 4,19-M Hz-Signal wird nur auf 512 Hz heruntergeteilt Vom Ausgang dieser zweiten Frequenzteilerkette 7 führt eine Verbindung auf den einen Eingang eines NAND-Gatters 43, an dessen zweitem Eingang ein 1-Hz-Signal ansteht Der Ausgang dieses NAND-Gatters 43 ist mit dem Eingang

so eines Inverters 44 verbunden, der seinerseits mit seinem Ausgang an der Basis eines Transistors 45 liegt Der Emitter dieses Transistors ist an Spannungs-Potential VSS gelegt, an dem auch die Anode einer Diode 46 liegt die mit ihrer Kathode an den Kollektor des Transistors 45 und an einen elektroakustischen Wandler 47 angeschlossen ist Die Kathode der Diode 46 bzw. der Kollektor des Transistors 45 liegen an einer Induktivität 48, die mit ihrem anderen Ende an VDD-Potential angeschlossen ist An diesem VDD-Potential liegt auch der zweite Anschluß des elektro-akustischen Wandlers 47, der beispielsweise ein piezoelektrischer Wandler ist Der Transistor 45, die Diode 46, der elektro-akusti-

sche Wandler 47 und die Induktivität 48 bilden zusammen einen Summer, mit dem ein akustisches Wecksignal gegeben werden kann. Dieses Wecksignal besteht aus einem 512-Hz-Ton, der im Sekundentakt ertönt. Im einzelnen wird das Signal dadurch erzeugt daß die von der Frequenzteilerkette 7 kommenden

512-Hz-Impulse am NAND-Gatter 43 im 1-Hz-Rhythmus getaktet werden und in dieser getakteten Form auf die Basis des Transistors 45 gelangen. Dieser Transistor 43 wirkt als Torschaltung und beaufschlagt somit impulsweise den eiektro-akustischen Wandler 47 mit einem elektrischen Signal.

Da dieser Wandler 47 mit einer relativ hohen Spannung betrieben wird (ca. 40 VoItX ist die Induktivität 48 vorgesehen, die auf Grund des Ein- und Ausschaltens des Transistors 43 Spannungsspitzen .on der gewünschten Größe erzeugt Um den Transistor 45 durch die relativ hohen Spannungsspitzen nicht zu beschädigen, ist die Diode 46 vorgesehen, welche die negativen Spannungsspitzen von dem Transistor 45 fernhält

Im folgenden wird nun die Steuerung bzw. Regelung der Uhr beschrieben. Hierbei wird davon ausgegangen, daß eine Arbeitsspule einer elektrischen Analog-Uhr entsprechend ihrer Zeitabweichung relativ zu einem Quarz-Zeitnormal mit einem oder mehreren Korrekturimpulsen beaufschlagt wird. Um diese Korrekturimpulse zu definieren, wie die Differenz zwischen dem SoIl- und dem Ist-Wert gebildet Der Sollwert wird dabei von dem Quarz-Zeitnormal abgeleitet, während der Ist-Wert vom Uhren-Antriebsmotor kommt

Wie bereits oben erwähnt, steht am Ausgang des Flip-flops 29 der Frequenzteilerkette 6 ein 1-Hz-Signal an, welches — da es vom Quartz-Normal abgeleitet ist — den genauen Sekundentakt darstellt Dieser Sekundentakt oder Sekunden-Sollwert wird über einen Impulsformer 49 auf ein RS-Flipflop 50 gegeben, das an seinem Ausgang pulsmodulierte Signale abgibt Auf den einen Eingang des D-Flipflops 51 werden die von dem Frequenzteiler-Flipflop 29 kommenden Sekundenimpulse gegeben, während auf den anderen Eingang dieses Flip-Flops 51 eine 4096-Hz-Impulsreihe gelangt, die von der Teilerkette 6 abgezweigt wird.

Das NICHT-ODER-Gatter 52 erhält sowohl die Sekundenimpulse als auch die vom (^-Ausgang des Flipflops gelieferten Impulse. Am Ausgang des NICHT- to ODER-Gatters 52 erscheinen dann χ Impulse mit einem Impulsabstand von 1 Sekunde und einer Impulsbreite von 4096 Hz = 2,441 · 10~⁴ Sekunden. Diese Impulse repräsentieren die Soll-Frequenz der Uhr.

Auf ähnliche Weise, wie die Soll-Frequenz aufbereitet wurde, wird nun auch die Ist-Frequenz aufbereitet Hierfür ist ein gesonderter Impulsformer 53 vorgesehen, der aus einem D-Flipflop 54 und einem NICHT-ODER-Gatter 55 besteht Diesem Impulsformer 53 wird das 1-Hz-Ist-Signal des Uhren-Motors so sowie ein 2048-Hz-Signal aus der Frequenzteilerkette 6 zugeführt

Somit steht am Ausgang des NICHT-ODER-Gatters 55 eine 1-Sekunden-Ist-Impulsreihe mit einer Impulsbreite von

2048Hz

= 4,88-1(T⁴SeL

Das RS-Flipflop 50, welches aus den beiden kreuzgekoppelten NICHT-ODER-Gattern 56, 57 be- »ο steht, erhält somit aus dem NICHT-ODER-Gatter 52 Soll-Impulse, während es aus dem NICHT-ODER-Gatter 55 Ist-Impulse erhält Die Abstände der Impulse sind in beiden Fällen 1 Sekunde, wobei die Impulsbreiten der jeweiligen Impulsreihen um den Faktor 2 verschieden ^fe5 sind, damit der Ist-Wert dominant bleibt

Am Ausgang Q des RS-Flipflops 50 steht dann ein L-Signal an, wp"^{n a}-m Eingang R ein L-Signal und am Eingang S ein 0-Signal ansteht Tritt dagegen die Kombination S=LZR=Q auf, so ist Q=O. Bei S=LZR=L ergibt sich an sich ein irregulärer Abstand. Da jedoch die Impulsbreiten der Soll- und Ist-Impulse verschieden sind, tritt der irreguläre Zustand nicht auf. Die am Ausgang des RS-Flipflops 50 erscheinenden Impulse haben somit eine Impulsbreite, die der zeitlichen Abweichung zwischen einem SoU-Sekunden-Impuls und einem Ist-Sekunden-Impuls entspricht Die Zeitabweichung erscheint auf diese Weise in pulsbreitenmodulierter Form.

Die pulsbreitenmodulierte Zeitabweichung korrigiert nun die Amplituden der Sinussignale, mit der die Antriebsspule der Uhr beaufschlagt wird Diese Beaufschlagung erfolgt jedoch nicht ohne vorherige Modifikation durch ein NICHT-UND-Gatter 58, das an seinem zweiten Eingang mit Signalen aus einer Frequenzteilerkette 59 versorgt wird, die aus sechs Flipflops 60—65 besteht

Diese Frequenzteilerkette 59 ist mit ihrem Eingang an den 512-Hz-Takt angeschlossen, der ihr über ein ODER-Gatter 66 entweder aus der Frequenzteilerkette 6 oder aus der Frequenzteilerkette 7 geliefert wird. Der Ausgang der Frequenzteilerkette 59 liegt — wie bereits erwähnt - an dem NICHT-UND-Gatter 58. Mit Hilfe der sechs Flipflops 60—65 kann die Frequenzteilerkette die Frequenz von 512 Hz auf 8 Hz herunterteilen. Eine Besonderheit der Frequenzteilerkette besteht nun darin, daß sie über eine Leitung 67 gesetzt werden kann, so daß sie eine Binärzahl darstellt Da die Flipflops 60—65 die Setzeingänge R, S, R, S, R, R haben, bedeutet dies, daß die Binärzahl LOLO mit den Flipflops 63,62,61, 60 darstellbar ist die der Dezimalzahl 10 entspricht Um diese Zahl zu setzen, genügt ein Impuls auf der Leitung 67. Durch nachfolgendes Takten der Frequenzteilerkette 59 aus den Teilerketten 6, 7 kann die eingestellte Binärzahl heruntergezählt werden. Welche Funktion die Frequenzteilerkette hierdurch ausübt, wird weiter unten noch näher erläutert Zuvor soll jedoch noch beschrieben werden, wie die Ist-Impulse im einzelnen abgeleitet werden.

Ausgangselement für die Aufnahme der Ist-Zeit ist die Steuerspule 68 des Uhrwerks, die von einem kontinuierlich rotierenden Motor so beaufschlagt wird, daß in ihr eine Spannung entsteht, welche ein Maß für die Umdrehungsgeschwindigkeit des Motors ist Diese in der Steuerspule 68 induzierte Spannung wird sodann weiterverarbeitet und aufbereitet

Parallel zur Steuerspule 68 ist ein Kondensator 69 vorgesehen, dessen Aufgabe darin besteht, eventuelle Störspannungsspitzen kurzzuschließen.

Die aus der Spule 68 und dem Kondensator 69 bestehende Parallelschaltung ist an eine Mittenanzapfung eines die Widerstände 70, 71 aufweisenden Spannungsteilers angeschlossen, wobei dieser seinerseits an einer Batterie 72 liegt. Durch diese Maßnahme wird erreicht, daß das an der Spule 68 auftretende Wechselspannungspotential um einen Gleichstromanteil angehoben wird, so daß der Inverter 73, der zugleich ein Eingangsschwellenwertschalter ist, in den richtigen Zeitpunkten des Wechselspannungs-Ist-Signals durchschaltet und somit ein dem Wechselspannungs-Ist-Signal exakt zugeordnetes Rechteck-Signal erzeugt.

Von dem Ausgang des Inverters 73 führt eine Verbindung auf die Ä-Eingänge zweier Flipflops 74, 75 sowie auf den Eingang eines Inverters 76, dessen Ausgang mit dem D- Eingang des Flipflops 74 verbunden ist. Die C-Eingänge der Flipflops 74, 75 sind

über einen weiteren Inverter 77 mit dem Ausgang des Flipflops 21 der Teilerkette 6 verbunden. Mit der Gesamtheit der Elemente 74,75,76,77 wird ein digitales Filter Faufgebaut, welches die Frequenzen oberhalb der Frequenz 256 Hz ausfiltert. Die Filterfrequenz könnte statt 256 Hz auch eine andere Frequenz sein, wichtig ist nur, daß die normalerweise an der Spule 68 anstehende 16-Hz-Frequenz durchgelassen wird.

Nach dem das digitalisierte und digital gefilterte Ist-Signal das Digitalfilter F durchlaufen hat, gelangt es auf einen Impulsformer /, der aus dem relativ breiten 16-Hz-Signal eine Quasi-Nadelimpulsfolge herstellt Dieser Nadelimpulsformer besteht aus zwei Flipflops 78, 79, einem NICHT-ODER-Gatter 80 und einem inverter 8!, wobei der Inverter 81 aus der Frequenzteilerkette 6 mit einem 2048-Hz-Signal gespeist wird.

Am Ausgang des NICHT-ODER-Gatters 80 stehen somit 16-Hz-Impulse an, die eine Basisbreite von

2048Hz

= 4,882 -KT⁴ Sekunden

aufweisen. Diese 16-Hz-Nadel-Impulse steuern nun einen weiteren Inverter 82 und eine Zählerkette mit vier Flipflops 83, 84, 85, 86 an, welche am Ausgang ein 1-Hz-Ist-Signal liefert Dieses Ist-Signal wird, wie bereits erwähnt, auf den Impulsformer 53 sowie auf das NICHT-UND-Gatter 43 gegeben. Das NICHT-UND-Gatter 43 kann allerdings auch ebensogut ein 1 -Hz-Signal aus dem Flipflop 29 erhalten.

Es soll nun noch einmal das Ausgangssignal des Gatters 80 betrachtet werden, das der Teilerkette 59 über die Leitung 67 zugeführt wird. Dieses Signal ist so aufbereitet, daß es exakt im Nulldurchgang eines Sinussignals an der Steuerspule 68 einsetzt

Bei diesem Nulldurchgang werden somit die Flipflops 60—65 auf eine Dualzahl gesetzt, z. B. eine Dualzahl, die der Dezimalzahl 10 entspricht Nun wird der Eingang der Kette 59 mit 512-Hz-lmpulsen beaufschlagt, bis die Kette den Dezimal-Zählerstand 32 hat, d.h. bis am Ausgang der Kette 59 ein //-Signal ansteht Hierdurch wird erreicht, daß die Kette 59 gewissermaßen als Zeitglied wirkt die den Zeitpunkt bestimmt, zu dem das dem Antriebsmotor zugeführte elektrische Signal mit einem Korrekturimpuls beaufschlagt wird. Das Korrektursignal wird also, nachdem der Startpunkt durch das vom Gatter 80 kommende Signal klar definiert wurde, nach einer exakt vorbestimmten Zeit am Gatter 58 freigegeben.

Somit werden den wechselstromförmigen Antriebsimpulsen der Arbeitsspule 87 über einen Feldeffekttransistor 88 und einen Widerstand 89 Korrektursignale zugeführt Diese Korrektursignale erhöhen die Amplitude des elektrischen Antriebssignals, das an der Spule 87 ansteht, um einen Betrag, welcher der Frequenzabweichung der Uhr entspricht Die Erhöhung der Amplitude kann dabei von Halbwelle zu Halbwelle des an der Arbeitsspule 37 anstehenden wechselstromförmigen Signals variieren, wobei die Variation von der ermittelten Regelabweichung zwischen Soll- und Istwert abhängt

Der Widerstand 89 hat lediglich die Aufgabe, die der Arbeitsspule 87 zugeführten Korrekturimpulse abzuschwächen, und zwar in Abhängigkeit von der benötigten Antriebsenergie. Werden mit dem Uhrenmotor beispielsweise relativ schwere Uhrzeiger bewegt so kann der Widerstand 76 sehr klein gewählt werden, damit die Arbeitsspule mit viel Energie beaufschlagt

ίο wird.

Die Funktion des eingangs erwähnten erfindungsgemäßen digitalen Filters Fmit nachfolgendem Impulsformer /sei nachstehend nochmals gesondert beschrieben: Der Tiefpaß besteht aus den beiden D-Flipflops 74,75

is und den beiden Invertern 73, 76. Am Eingang des Inverters 73 liegt die sinusförmige Steuerspannung des Motors von ca. 16 Hz an. Der Inverter 73 digitalisiert diese Steuerspannung in eine Rechteck-Spannung wie bereits oben beschrieben wurde. Befindet sich der Eingang des Inverters 73 auf hohem Potential (H), so wird der Ausgang des Inverters 74 ebenfalls H. Schaltet das Vergleichssignal am D-Flipflop 74 nach H, wird der Ausgang <?des Inverters 74 ebenfalls H. Am Eingang C des D-Flipflops 75 liegt niedriges Potential (L) an, bis entsprechend der Triggerfrequenz 135 ms

2 χ 256 Hz ) ^der Eingang C des D-Flipflops 75 H wird.

Wird jedoch der Eingang Cdes D-Flipflops 75 //und ist

der Eingang D des D-Flipflops 75 noch H, so wird der Ausgang des digitalen Filters Fder identisch ist mit dem Ausgang Q des D-Flipflops 75 ebenfalls H. Das Eingangssignal ist somit weitergeschaltet, da es < als 256 Hz ist

Nimmt man an, daß ein Störimpuls am Eingang des

digitalen Filters F anliegt, also der Impuls eine Breite von < als 138 ms hat, so wird der Eingang D des

D-Flipflops 74 H. Die Vergleichsfrequenz von zum Beispiel 256Hz

schaltet mit seiner positiven Flanke am Eingang C des D-Flipflops 74 den Ausgang Q des D-Flipflops 74 nach H. Das D-Flipflop 75 schaltet aber noch nicht weiter, da der Ausgang des Inverters 77 noch auf L liegt Steht der Störimpuls kurzer als 135 ms am Eingang an, so wird der Ausgang des Inverters 73 H.

Die D-Flipflops 74 und 75 werden zurückgesetzt, bevor das Signal am Eingang D des D-Flipflops 75 vom Eingang Cdes D-Flipflops 75 weitergeschaltet werden kann.

so Die nachgeschaltete Impulsfonnerstufe / sorgt nun dafür, daß mit der absteigenden Flanke des an ihrem Eingang anliegenden rechteckförmigen Signals an ihrem Ausgang ein Nadelimpuls erzeugt wird, welcher unabhängig von der Impulsbreite des Eingangssignals ist und beispielsweise eine Impulsbreite von ca. 0,25 ms hat Die zur Impulsformung notwendige Vergleichsfrequenz wird dabei aus dem Frequenzteiler der zeithaltenden Teilerkette entnommen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Zeithaltendes Gerät, insbesondere Quarzgroßuhr, mit elektronischen Frequenzteilern sowie einem elektronisch gesteuerten Motor mit einer Arbeitswicklung und einer Steuerwicklung, der ein Anzeige-System antreibt, wobei nur eine Drehzahl des Motors oberhalb der Nenndrehzahl steuerbar ist, wozu eine zeithaltende bistabile Kippstufe nach Eingang des Soll-Impulses vom Zeitnormal ein zwischen Teiler und Ausgangsverstärker angeordnetes Gatter ansteuert, dadurch gekennzeichnet, daß ein als Eingangsschwellenwertschalter dienender Inverter (73) an die Steuerwicklung (68) angeschlossen ist, der aus dem von der Steuerwicklung (68) abgegebenen Wechselspannungssignal ein Recbteck-Signal erzeugt, und daß dem Inverter (73) ein digitales Filter (F) mit nachfolgendem Impulsformer zur Erzeugung eines schmalen Impulses aus der abfallenden Flanke des Rechteck-Signals vorgesehen ist, das Störimpulse von einstellbarer Impulsbreite nicht weiterschaltet und dessen Triggerfrequenz aus der Teilerkette des Frequenz-Normals abgegriffen wird.

2. Zeithaltendes Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Tiefpaß aus zwei D-Flipflops (74, 75) und zwei Invertern (73, 76) besteht, wobei der Inverter (73) die anliegende Steuerspannung des Motors (z. B. 16 Hz) in eine Rechteckspannung digitalisiert

3. Zeithaltendes Gerät nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß dem Tiefpaß (73,74, 75,76,77) ein monostabiler Multivibrator (75,79,80, 81) nachgeschaltet ist