-
-
Die Erfindung betrifft ein zeithaltendes Gerät
-
nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
-
Es sind bereits zahlreiche elektronische Uhren vorgeschlagen worden,
die einen Schwingquartz als Zeitnormal aufweisen. Bei diesen elektronischen Uhren
können zwei Hauptgruppe unterschieden werden: die Uhren mit «'os aler Zeitanzeige
und die Uhren mit analoger Zeitanzeige.
-
Werden bei einer Uhr mit analoger ZeitanzcZge d2t Zeitanzeigeelemente
direkt mit den Impulsen eines Frequenzteilers gesteuert, der die Frequenz des Schwingquartzes
herunterteilt, so ist in der gel zur Gewährleistung der Forischlatscalsicherheit
eine relativ große Leiscungsaufnahme erforderlich.
-
Es ist indessen bereits eine Uhr vorgeschlagen worden, die einen Quartzoszillator
mit einem elektronischen Frequenzteiler sowie einen elektronisch gesteuerten Motor
aufweist, bei dem die Standabweichnungen relativ schnell ausgeregelt werden kennen
(DE-OS 23 05 682). Das Anzeigesystem dieser Uhr wird mit mindestens zwei Drehzahlen
betrieben, wobei mindestens eine Drehzahl höher und mindestens eine niedriger als
eine der Quartzfrequenz entsprechenden Solldrehzahl steuerbar eingestellt werden
kann und ein Speicher vorhanden ist, dessen einer Eingang von den Impulsen der geteilten
Quartzfrequenz und dessen anderer Eingang von Impulsen angesteuert wird, die vom
zeithaltenden System abgeleitet werden und nahezu die gleiche Folgefrequenz wie
die Impulse der geteilten Quarzfrequenz haben. Der Ausgang dieses Speichers steuert
dabei
ein Schaltglied zur Umschaltung der Drehzahl des Anzeigesystems.
I'ennzeichnend ist für diese Uhr, daß der Speicher eine bistabile Kippstufe ist
und daß die vom Motor abgeleiteten Impulse über einen Frequenzteiler der bistabilen
Kippstufe zugeführt werden. Allerdings kann mit dieser Uhr kein Weckvorgang akustisch
angezeig werten, Eine elektronische Uhr, mit der auf relativ einfache Weise ein
akustisches Signal abgegeben werden kann, ist ebenfalls behsnnt (ur-pS 3 759 029).
Bei dieser Uhr ist ein Standard-Oszillator mit einer Vielzahl von nachgeschalteten
Teilerstufen vorgesehen, welche die hohe Frequenz denn Oszillators stufenweise in
niedrier.e Frequenzen umwandeln. Zu einer bestimmten Zeit kann mit Hilfe dieser
Uhr ein akustisches Signal abgegeben werden, wobei eine der Frequenzen der Teilerstufen
selektiv auf eine Signalisierungseinrichtung geführt wird.
-
Nachteilig ist bei dieser bekannten Uhr, daß bei einem Fehler in der
Frequenzteilerkette keine richtige Zeit mehr gezeigt wird und das akustische Signal
ausfällt.
-
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Uhr mit einem
Standard-Oszillator und nachgeschalteter Frequenzteilerkette zu schaffen, mit der
ein akustisches Signal erzeugt werden kann und die eine hohe Betriebssicherhe-it
aufweist.
-
kiese Aufgabe wird gemäß dem knnzeichnenden Merkmal des Patentanspruchs
1 gelost Der r,!it der Erfindung erzielte Vorteil besteht ins-
besondere
darin, daß durch die Einfügung einer weiteren von dem Standard-Oszillator gespeiste
Teilerkette ein in der Haupt-Teilerkette auftretender Fehler kompensiert wird. Außerdem
erfolgt die Signalabgabe unabhängig von der Haupt-Teilerkette, was beispielsweise
die Verwendung preiswerter Flipflops für die zusätzliche Kette ermögliche Da die
beiden Teilerketten bzw. Teile voi ibrer über ein ODER-Gatter miteinander verbunden
sind, ist es für die Funktionsweise der Uhr unerheblich, ob eine dieser Teilerketten
aust-llt. Wenn r¢?r eine dieser beide Teilerketten intakt bleibt, ist der sichere
Betrieb der uhr gewährleistet.
-
Werden die beiden Teilerketten statt über ein ODER-glied über ein
UND-Glied miteinander verbunden, so kann diese Schaltung als 5 Überwechungseinrichtung
für die exakte Funktion der Teilerketten dienen, denn ein Zeitimpuls wird unter
diesen Voraussetzungen nur dann weitergegeben, wenn beide Teilerketten exakt gleichförmig
arbeiten.
-
Eine Fehlerindikation ist jedoch auch bei der Schaltung mit ODER-Gattermöglich,
denn hierbei kann es vorkommen, daß die Uhrzeit exakt angezeigt wird, während der
Surl,mton ausfällt. In einem solchen Fall ist es klar, daß die zweite Teilerkette
fehlerhaft ist, während die erste noch ordnungsgemäß funktioniert.
-
Um zu verhindern, daß geringe relative Frequenzab-
weichungen
der Teilerkette bewirken, daß die nachfolgenden Teilerstufen falsch getaktet werden,
indem sie zwei kurz hintereinander erscheinende Impulse aus den beiden Teilerketten
mit zwei Zählschritten beantworten, obwohl es sich um dieselbe Zeitmarkierung handelt,
ist zweckmäßigerweise ein einstellbares Filter Fi vorgesehen, welches stets dann
nur einen impuls weiteigibt, wenn es zwei dicht aufeinanderfolgende Impulse erhält,
die einen vorgebbaren Abstand nic üDe schreiten. Die unvermeidliche Exemplarstreuung
der beiden Teilerketten wird hierdurch beseitigt, wobei als Nebeneffekt erreicht
wird, daß dic zulästige Exemplarstrenung j: diesem Alter Fi eingestellt werden kann.
-
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt
und wird im folgenden näher beschrieben.
-
.In der Figur ist eine Schaltungsanordnung für eine geregelte Quartz-Analog-Uhr
dargestellt. Diese Schaltungsanordnung weist einen Zeit-Referenz-Kreis auf, der
im wesentlichen aus einem Schwingkreis und einem frequenzbestimmenden Quartz 1 besteht.
Der Schwingkreis enthält einen Inverter 2, der als Verstärker mit unendlich hoher
Verstärkung ausgelegt ist, sowie einen Rückkopplur gswiderstand 3. Segmentisch zum
Quarz 1 sind zwei Kondensatoren vorgE;ehen, und zwar ein Trimmkondensator 4, mit
dem vom Hersteller oder Uhrmacher die exakte Schwingfrequenz eingestellt wecde.r.-ann,
sowie ein Lastkondensator 5, der etwa die gleiche Kapazität hat wie der Trimmkondensator
4 in seiner Mittel-Stellung. Beide Kondensatoren 4, 5 sind mit ihren dem Quartz
1 abgewand^n Enden an Masse gelegt.
-
Der Zeit-Referenz-Kreis liefert eire Frequenz von 4 194 304 Hz, die
in nachgeschalteten Frequenzteilerketten 6, 7 heruntei:geteilt wird.
-
In der ersten Frequenzteilerkette 6 sind 22 Flipflops 8 - 29 hintereinandergeschaltet,
-so daß das Em 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 MHz-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 lEz-Signal ansteht. Der Ausgang
dieses NAND-Gatters 43 ist mit dem Eingang eines Inverters 44 verbunden, der seinerseits
mit seinem Aus-
gang 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 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 J .t. An diesem VDD-Potertial
liegt auch der zweite Anschluß des elektroakustischen Wandlers 47, der beispielswei-s
e. 1 piezoelektrischer Wandler ist.
-
Der Transistor 45, die Diode 46, der elektro-skustische Wandler 47
urs die Induktivität 48 bilden zusammen einen Summer, mit aem ein akustisches Wecksignal
gegeben werden kann. Dieses Weclsignal besteht aus einem 512 Hz-Ton, der im Sekunflentakt
ertönt. Im einzelnen wird das Signal dadurch erzeugt, daß die von der Frequenzteilc.-;rette
7 kommenden 512 Ez-Impulse am NAND-Gatter 43 im 1 Hz-Rhythmus getaktet werden und
in dieser getakteten Fo-:m auf die Basis des Transistors 45 gelangen. Dieser Transistor
45 wirkt als Torschaltung und beaufschlagt somit impulsweise den elektro-akustischen
Wandler 47 mit einem elektrischen Signal.
-
Da dieser Wandler 47 mit einer relativ hohen Spannung betrieben wird
(ca. 40 Volt), ist die Induktivität 48 vorgesehen, die auf Grund des Ein- und Ausschaltens
des Transistors 45 Spannungsspitzen von der gewiinschten Größe erzeugt. Um den Transistor
45 durch die relativ hohen Spannungsspit: 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 Quartz-Zei:normal mit einem oder
ma7,reren Korrekturimpulsen beaufschlagt wird. Um diese Korrekturimpulse zu definieren,
wird die Differenz zwischen dem oll- und dem Ist-Wert gebildet. Der Sollwert wird
dabei von dem Quartz-Zeitnormal abgeleitet, während der Ist-Wert vom Uhren-Antriebsmotcr
kommt.
-
Wie bereits oben erwähnt, steht am Ausgang des Flipflops 29 der Frequenzteilerkette
6 ein 1 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 Angang des D-Flipflops 51 werden die von dem Frequenzteiler-Flipflop
29 kommenden Sekundenimpulse gegeben, während auf den anderen Eingang dieses Flipflops
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-0DER-Gatters
52 erscheinen dann x Impulse mit einem Impulsabstand von 1 Sekunde und einer Impulsbreite
von 4096 Hz A 2,441 ' 10 4 Sekunden. Diese Impulse repräsentiere 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 1Hz-Ist-Signal des Uhren-Motors sowie ein 2048 Hz-Signal
aus der Frequenzteiler-Kette 6 zugeführt. Somit steht a..,i-asgang des NICHT-ODEr
Gatters 55 eine lSekunden-Ist-Impulsreihe mit einer Impulsbreite von 2049 Hz - 4,88
. 10-4 10 Sek.
-
Das RS-Flipflop 50, welches aus den beiden kreuzgekoppelten NICHT-ODER-Gattern
56, 57 besteht, erhält somit aus dem NICH-ODER-Gatter 52 Soll-Impulse, wähl:?nd
es a.!; dem NICHT-ODER-Gatter 55 Ist-Impulse erhält. Die Abstände der Impulse sind
in beiden Fällen 1 Sekunde, wobei die Impulsbreiten der jeweiligen Impuls reihen
um den Faktor 2 verschieden sind, damit der Ist-Wert dominant bleibt.
-
Am Ausgang Q des RS-Flipflops 50 steht dann ein L-Signal an, wenn
am Eingang R ein L-Signal und am Eingang S ein O-Signal ansteht. Tritt dagegen die
Kombination S = L/R = 0 auf, so ist Q - O. Bei S = L/R = 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 Soll-Sekunden-Impuls und einem ist-Sekunden-Impuls entspricht. Die
Zeitabweichung erscheint auf diese Weise in pulshreitenmodulierter Form.
-
Die pulsbreitenmodulierte Zcitabveichung 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 st mit ihrem Eingang an den 512 Hz-Tal-
a:7:i-schlcsser, 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 NI"HT-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 Ijst-lmpulse im
einzelnen abgeleitet werden.
-
Asgangselement für die Aufnahme der Ist-Zeit ist die Steuerspule 68
des Uhrwerks, die von einem kontinuier-
lich rotierenden Motor
so beaufschlagt wird, daß in ihr eine Spannung entsteht, welche ein Maß für die
Umdrehungsgeschwindigke:it des Motors ist. Diese in der Steuerspule 68 induzierte
Spannung wird sodann weiterverarbeitet und aufbereitet.
-
Parallel zur Steuerspule-6E, ist ein Kondensator 69 vorgesehen, dessen
Aufgabe darin besteht, eventuelle Stöz.pannungsspitzen kurzzuschließen.
-
Die aus der Spule 68 :.nd dem Kordensator 69 bestehende Parallelschaltung
ist an eine Mittenanzapfung eines die Widerstände 70, 71 aufweisenden Spannungsteiles
angeschlossen wobei dicker seinerseits an einer Batterie 72 liegt. Durch diese Maßnahlr.e
wird erreicht, daß das an der Spule 68 auftretende Wechselspannunspotentia1 um einen
Gleichstromanteil angehoben wird, so daß der Inverter 73, der zugleich ein Eingangsschwellwertschalter
ist, in den richtigen Zeitpunkten des Wechselspannungs-Ist-Signals durchschaltet
und somit ein dem Wechselspannungs-Ist-Signa' exakt zugordnetes Rechteck-Signal
erzeugt.
-
Von dem Ausgang des Inverters 73 führt eine Verbindung auf die R-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, 75, 77 wird ein aigitales Filter aufgebaut, welches die Frequenzen
oberhalb der Frequenz 256 Ezz ausfiltert. Die Filterfrequenz könnte statt
256
Hz auch eine andere Frequenz sein, wichig ist nur, daß die normalerweise an der
Spule 68 anstehende 16 Hz-Frequenz durchgelassen wird.
-
Nachdem das digitalisierte und digital gefilterte Ist-Signal das Digitalfilter
durchlauren hat, gelangt es auf einen Impulsformer. der aus dem relativ breiten
16-Hz-Signal eine Quasi-lmat~limpulsfolge herste!-t. Dieser Nadelimpulsformer besteht
aus zwei Flipflops 78, 79, einem NICHT-ODER-Gatter 80 undeinem Inverter 80 e'oer
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 2048 Hz = 4,882 . 10-4 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 Impulsforner
53 sowie auf das NICHT-UND-Gatter 43 gegeben. Das NICHT-UND-Gatter 43 kann allerdings
auch ebensogut ein lEz-Signal aus dem Flipflop 29 erhalten.
-
Es soll nun noch einmal das Ausgangssignal des Gatters 80 betrachtet
werden, das der Teilerkette 59 üher die Leitung 67 zugeführt wird. Dieses Signal
ist so aufbereitet, daß es exakt im Nulldurchgang eines Sinussignals an der Spule
68 einsetzt. Bei diesem Mulldurchgang werden somit die Flipflops 60 - 65 auf eine
Dualzahl gesetzt, z B. eine Dualzahl, die der sezimalzahl 10 entspricht. Nun wird
der Eingang der
Kette 59. mit 512 Hz-Imnulsen 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
wirkt1 die den Zeitpunkt bestimmt, zu dem das dem AnXriebsmotor zugeführte elektrische
Signal mit einem Korrekturimpuls beaufschlagt wird. Das Korrektursignal wird also,
nachdem cie Startpunkt durch das om Gatter 80 kommende Signal klar definiert wurde,
nach einer exakt vorbestimmten Zeit am Gatter 58 freigegeb ,l.
-
Somit werden den wechselstromförmigen Antriebsimpulsen der Arbeitsspule
87 über einen r.eldeffekttransistor 88 und einen Widerstand 89 Korrektursignale
zugeführt.
-
Diese Korrektursignale erhöhen die Amplitude des elektrischen A-.triebssignals,
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 Spule 87 anstehenden wechselstromförmigen Signals variieren, wobei die
Variation zon de ermittelten Regelabweichung zwischen Soll-und Istwert abhängt.
-
Der Widerstand 89 hat lediglich die Aufgabe, die der Spule 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 Spule 817 mit viel Energie
.beaufschlagt wird.-
Leerseite