DE2802841A1 - Laufabstimmung fuer quarzgesteuerte uhren - Google Patents

Description

5016₂₈028 A1

Shoichi Tanaka
_t Tokyo / Japan

Laufabstimmung für quarzgesteuerte Uhren

Die Erfindung betrifft die LaufabStimmung für quarzgesteuerte elektronische Uhren und insbesondere eine Einrichtung, die es ermöglicht, sehr genaue Uhren herzustellen, indem die Schwingungsfrequenz der quarzkristallgesteuerten Schwingschaltung beeinflußt wird, da sie die Genauigkeit der Uhr bestimmt, so daß man sich der Standardfrequenz so nahe wie möglich annäherd·

Die Erfindung betrifft auch eine Laufreguliereinrichtung für elektronische Uhren, bei welcher ein Vorgehen oder Nachlaufen festgestellt und eine automatische Justierung der durchschnittlichen Schwingfrequenz derart durchgeführt wird, daß die Abweichung der mittleren Schwingfrequenz vom Standard jedesmal bei der Berührung für die Einstellung der Zeitanzeige ein Minimum ist.

Eine elektronische Uhr ist ein Gerät zum Messen und Anzeigen der Zeit d9^^cn Zählen der Impulse mit einem bestimmten

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Wi ederholungsZyklus, gewöhnlich. 1 Hz, welche ursprünglich durch, einen quarzgesteuerten Oszillator erzeugt und dann in einem !!frequenzteiler geteilt werden, und somit geht die Uhr vor oder nach, wenn die Frequenz des Oszillators von dem Standardwert abweicht. Bisher wird die Korrektur mit einem Trimmerkondensator durchgeführt, der in den Quarzkristalloszillator eingebaut ist, so daß die Schwingfrequenz nahe an den Standardwert dadurch herangebracht wird, daß die Kapazität des Kondensators abgestimmt wird. Eine solche Abstimmarbeit macht jedoch viel Mühe und braucht viel Zeit und zusätzlich erhebliches Geschick, was einen hohen Preis der Uhr zur Folge hat. Trotzdem ließ sich damit eine beste Genauigkeit mit einer Fehlerabweichung von etwa 5 Sekunden pro Monat erzielen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine LaufabStimmung für elektronische Uhren zu schaffen, die einen äußerst geringen Anzeigefehler haben. Diese LaufabStimmung soll zu einer automatischen Abstimmung der mittleren Schwingfrequenz bei jeder Einzeltasttätigkeit für eine Korrektur der Zeitanzeige ergeben. Die Anzeige wird durchgeführt, indem die Durchschnittsabgabefrequenz des Oszillators danach von der Standardfrequenz weniger · abweicht, so daß der Fehler in der Zeitanzeige damit auf ein Minimum gebracht wird.

Die Lösung dieser Aufgabe geschieht bei einer ersten Ausführungsform der Erfindung in der Weise, daß ein Kondensator oder Kondensatoren mit zwei Kapazitätswerten wahlweise in die Oszillatorschaltung an die Stelle eines Trimmerkondensators der bisher bekannten Schaltungen eingefügt werden, und die zwei Werte werden abwechselnd im Zeitauswahlprinzip angewählt. Die Kapazität ist jeweils so gewählt, daß die Ausgangsfrequenz der Schwingschaltung für den einen Kapazitätswert eine positive Abweichung gegenüber der Standardfrequenz und für den anderen eine negative Abweichung ergibt. Es wird dann jeweils einer der beiden Kapazitätswerte ausgewählt und in die Oszillatorschaltung im Zeitteilerprinzip einbez'ogen. Die Dauer des Einbeziehens in die Schaltung

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für den einen und den zweiten Kondensator erfolgt so, daß der Gesamtwert der Produkte dieser einzelnen Zeitabschnitte und der Frequenzabweichungen in diesen Zeitabschnitten Null ist. Als Ergebnis folgt daraus, daß der Mittelwert der Schwingungsfrequenzen praktisch gleich der Standardfrequenz ist. Bei einer zweiten Ausführungsform der Erfindung werden die beiden Ausgangsfrequenzen zum Regulieren der mittleren Frequenz des Quarzkristalloszillators durch Spannungssteuerung der der Oszillatorschaltung zugeführten Spannung erzielt.

Bei einer dritten Ausführungsform wird zur Beseitigung einer Frequenzdrift eine weitere Kompensation vorgenommen, um dennoch im Laufe der Zeit oder durch Temperatur Schwankungen auftretende Abweichungen der mittleren Frequenz des bereits in der vorher beschriebenen Weise abgestimmten Oszillators auftretende Abweichungen zu beseitigen· Für diese Kompensation wird das Vorhandensein des Stundenträgerimpulses geprüft, der in der Teilerschaltung im Augenblick eines durch Berührung durchgeführten Zeiteinstellvorganges erzeugt werden kann, um zu wissen, ob die Uhr vor- oder nachgeht. Die mittlere Frequenz wird abhängig davon, ob der Stundenträgerimpuls vorhanden ist oder nicht, automatisch erhöht oder vermindert.

Die Erfindung wird nun in Verbindung mit der Zeichnung im einzelnen an Ausführungsbeispielen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 das Blockschaltbild einer ersten Ausführungsform der Erfindung;-

Fig. 2 ein etwas stärker detalliertes Blockdiagramm zur Erläuterung des wichtigsten Teils der Erfindung einschließlich der Steuerschaltung der Fig. 1;

Fig. 3 das Blockschaltbild einer anderen Gestaltung der Steuerschaltung aus Fig. 1}

Fig. 4

und 5 Blockdiagramme, die andere Mittel zum Auswählen eines

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der beiden Kapazitätswerte darstellen;

Fig. 6 das Blockdiagramm eines zweiten Ausführungsbeispiels der Erfindung;

Fig. 7 die Abhängigkeit der Ausgangsfrequenz des kristallgesteuerten Oszillators von der angelegten Spannung;

Fig. 8 die Beziehung zwischen Temperatur und Ausgangsfrequenz des kristallgesteuerten Oszillators;

Fig. 9 das Blockschaltbild einer dritten Ausführungsform der Erfindung;

Fig.10 die Abhängigkeit zwischen angezeigter Zeit und exakter Zeit mit dem Lauffehler als Parameter;

Fig.11 ein anderes Ausführungsbeispiel des Befehlskreises aus der Fig. 9{

Fig.12 eine Darstellung der elektrischen Signale in der Schaltung nach Fig. 11.

In dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel der Erfindung sind zum Zweck der Anpassung der Ausgangsfrequenz zwei Kondensatoren vorgesehen. Die Schaltung weist einen Schwingquarz 1, einen Temperaturkompensationskondensator 2, einen Inverter ?» einen Widerstand 4-, einen ersten Kondensator 5 zwischen Schwingquarz und Masse für die Bestimmung der Schwingfrequenz, einen zweiten Kondensator 6, der mit einem Schalter 7 in Reihe parallel zum Kondensator 5 liegt und zur Steuerung der Schwingfrequenz dient, auf. Diese Schaltungsteile bilden zusammen einen Schwingquarzoszillator. Ferner enthält die Schaltung einen Frequenzteiler 8, der die Ausgangsfrequenz von üblicherweise 32,768 Hz des Quarzoszillators teilt und Impulse von 1 Hz Frequenz bildet, einen Zähler 9» der die 1Hz-Impulse zählt, um die Zeit in Stunden, Minuten und Sekunden anzeigen zu können, und eine Anzeigeschaltung 10, die das Ergebnis anzeigt,' sowie einen Steuerkreis 11, der periodisch den Schalter 7 schließt und

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öffnet, wie später noch beschrieben wird. Die Kapazitäten O, und Cg der Kondensatoren 5 und 6 sind so gewählt, daß die Ausgangsfrequenz f. des Quarzoszillators bei offenem Schalter 7 eine positive Abweichung «χund die Ausgangsfrequenz fp des Oszillators bei geschlossenem Schalter eine negative Abweichung β von der Standardfrequenz haben. In der Zeichnung sind die Kondensatoren 5 und 6 als einzelne Elemente dargestellt, doch können sie auch Kombinationen aus zwei und mehr Einzelkondensatoren sein.

Wenn die Schwingschaltung bei einer Frequenz f^ während der Dauer t,. unter der Bedingung schwingt, daß der Schalter 7 geöffnet ist, so daß sich nur der Kondensator 5 im Kreis befindet, und als nächstes mit der Frequenz f₂ während der Dauer t₂ schwingt. unter der Bedingung, daß der Schalter 7 geschlossen ist, so daß dann beide Kondensatoren 5 und 6 in die Schaltung einbezogen sind, dann gilt folgende Gleichung (1) zur Bestimmung der mittleren Ausgangsfrequenz f_Q für den Quarzoszillator, um diese der Standardfrequenz F gleichzumachen:

Darin sind

Χ_Λ — JS + OC

¹ (2)

f₂ = F + ( -ß)

Durch Einsetzen von Gleichung 2 in Gleichung 1 erhält man: At₁-^t₂BO . -....«...(3) t_n/t₂ = ß/ oc (4)

Wenn also das Verhältnis von t^ zu t₂ so gewählt wird, daß es umgekehrt proportional zum Verhältnis der Abweichungen cc zu β ist, dann ist die mittlere Frequenz f₀ des Quarzoszillators während der Dauer (t. + t₂) gleich der Standardfrequenz F. In der Zeit t₁ werden n* Impulse mit der Frequenz f₁ und während

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der Zeit t_p n_p Impulse mit der Frequenz f_o erzeugt. Für praktische Zwecke ist es von Vorteil, eine Konstante F zu bestimmen und mit der Frequenz f,. Impulse in einer dem Wert n. gleich Nß/ durch (^ + β ) nächstkommenden ganzen Zahl zu erzeugen und dann (N" - n^) = n~ Impulse mit der anderen Frequenz fp zu erzeugen.

Fig. 2 ist ein etwas detallierteres Blockdiagramm, das den wesentlichen Teil der Erfindung einschließlich der Steuerschaltung der Fig. 1 zeigt. Die Schaltung enthält einen Schalttransistor 17 (in der Darstellung ein FET, der jedoch vorzugsweise auch ein Durchlaßgate sein kann), einen Binärzähler 18, auf den ein Eingangssignal von 1 Hz vom Ausgang des Frequenzteilerkreises 8 gegeben wird, eine EXCLUSIVE-ODER-Schaltung 19, die ihre Eingänge von sämtlichen Stufen des Binärzählers 18 erhält, eine ItÄ-ND-Schaltung 20, der die Ausgänge von jeder Stufe des Binärzählers 18 über Schalter S,-, Sp, ... S zugeführt werden, und ein Flip-Flop 21, das seinen Zustand durch einen L-Pegelausgang von einer der beiden Logikschaltungen ändert und den Transistor 17 mit dem Ausgangssxgnal an seinem Q-Ausgang auf Durchlaß steuert. Mit der Annahme, daß die Konstante Ή der höchste Zählzustand des Binärzählers 18 ist, werden nur die Schalter geschlossen, die den Binärzahlen "1" unter den Binärzahlen entsprechen, die der N3/ (_c- + β ) nächstkommenden ganzen Zahl entsprechen. Wenn z.B. in Gleichung (2)i; = 0,154-undß = 0,214- und damit f. = 32768,154- Hz

f₂ = 32767,786 Hz

sind und der Binärzähler 18 zehn Stufen hat, womit sein höchster Zälilzustand Ii gleich 1024- ist, dann ist

Biß / (cc +ß ) = 1024- χ 0,214- / (0,154·-+ 0,214-) = 595,4-78260 = 595.

Es werden deshalb die Schalter S^., S₂, S₁-> S_n und S^₀ entsprechend den Binärzahlen "1" in der Binärzahl 595 ausgewählt zu schließen. Die Eingänge der HÄITO-Schaltungen 20, die zu den übrigen Schaltern gehören, sind geöffnet und entsprechen einem

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H-Pegel "bei Betrachtung der logischen Operation. Wenn nötig, können zweipolige Schalter vorgesehen werden, tun eine positive Eingangs spannung auf diese Eingänge zu geben. Wenn der Binärzähler 18 den Zählzustand Null hat, dann "bringt der L-Pegelausgang des EXCLUSIV-ODER-Kreises 19 den Q-Ausgang des Flip-Flop 21 auf L-Pegel, so daß der Transistor 17 sperrt und die Schwingschaltung dann viieder mit der Frequenz f,- schwingen kann. Die 1 Hz-Impulse, die der Eingangsklemme des Binärzählers 18 zugeführt werden, werden wieder gezählt, "bis der Zähler den Zustand 595 erreicht. Beim 595sten Zählzustand werden H-Pegelsignale durch alle die ausgewählten Schalter zu den Eingängen der NAED-Schaltung 20 geleitet, so daß am Ausgang der HAHD-Schaltung ein L-Pegel auftritt. Dieser Ausgang schaltet den Zustand des Flip-Flop 21 um, so daß an seinem Q-Ausgang ein Η-Pegel erscheint und den Transistor 17 auf Durchlaß schaltet. Dann sind der Kondensator 6 und der Kondensator 5 zusammen in die Schwingschaltung einbezogen, wodurch die Frequenz auf fp abgesenkt wird. Wenn der Binärzähler 18 seinen höchsten Zählzustand N erreicht, haben alle Ausgänge des Zählers H-Pegel, wodurch der Ausgang der Logikschaltung 19 L-Pegel bekommt. Da der Ausgang der Logikschaltung 20 dann L-Pegel hat, bleibt das Flip-Flop 21 in seinem vorherigen Zustand. Der nächste 1 Hz-Eingangsimpuls versetzt den Inhalt des Binärzählers 18 nach Null, und der Ausgangspegel der HAND-Schaltung 20 wird H, während der Ausgangspegel der EXGLUSIV-ODER-Schaltung 19 L bleibt. Der Zustand des Flip-Flop 21 wird dadurch umgeschaltet, so daß der Kondensator 6 aus der Schwingschaltung herausgenommen wird und die Schwingschaltung zur Frequenz f,, zurückkehrt. Die mittlere Frequenz der Schwingschaltung ist

fO = (595 x £_Λ + 4-29 x f₂)/i024 = 52,767,9998281 Hz; sie weicht um 1,719 x 10 Hz von der Standardfrequenz 32,768 Hz ab. Für die Zeitmessung betrachtet bedeutet eine derartige Laufabweichung etwa 0,165 Sekunden pro Jahr.

Es ist, wie bereits erwähnt, kein besonderes Geschick oder kein Präzisionsmechanismus erforderlich, um die positive und die

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negative Frequenzabweichung durch Einstellen der Kapazität des Kondensators für den Quarzoszillator zu erhalten. Es brauchen deshalb nur einige Festkondensatoren mit mehreren verschiedenen Werten vorgesehen werden, um die Erfindung zu verwirklichen. Die Bestimmung der Betriebszeiten t,, und tp, in denen die einzelnen Kondensatoren in die Schwingschaltung einbezogen sind oder das jeweilige Schließen der Schalter S,- bis S ist sehr einfach, wenn die Operationstabelle fertig ist. Der viel größere zulässige Fehlerbereich des Quarzkristallelementes in dieser Schaltung gegenüber herkömmlichen Quarzkristallen erlaubt es, Elemente zu verwenden, die bei den bisher üblichen Schaltungen nicht eingesetzt werden können. Es ist deshalb mit der Erfindung möglich, sehr genau arbeitende Schwingschaltungen für Uhren zu niedrigen Kosten herzustellen.

Pig. $ zeigt eine andere Ausführungsform der Erfindung, bei der logische Schaltkreise anstelle der Schalter S_x. - S der Fig. 2 eingesetzt werden. Diese Schalter S^-S werden durch logische Gatter g^ - g_n ersetzt, wobei jedes ein EXCLUSIV-ODER-Glied mit einem nachgeschalteten Inverter ist. Es wird ein Einstellzähler 22 verwendet, und jeder Ausgang des Zählers ist mit einem Eingang eines zugehörigen EXCLUSIV-ODER-Gatters verbunden, dessen zweiter Eingang mit dem entsprechenden Ausgang des Binärzählers 18 verbunden ist. Bei der gezeigten Ausführungsform ist die EXGLUSrV-ODEE-Schaltung 19 der Fig. 2 durch eine MND-Schaltung 19A ersetzt. Zunächst wird die Zahl 595» welche die Dauer der Schwingung bei der Frequenz f^. festlegt, in die Eingangskiemme 23 des Einstellzählers 22 eingegeben, um diesen voreinzustellen. Damit sind die Ausgänge der ersten, zweiten, fünften, siebenten und zehnten Ausgangsstufe, gezählt von der niedrigsten Stelle, des Einstellzählers auf H-Pegel, während die übrigen Ausgänge I^-Pegel haben. Wenn der Binär zähler 18 bis zum Maximalwert N hochzählt, dann sind die Ausgänge seiner sämtlichen Stufen auf Η-Pegel und erzeugen ein L-Pegelsignal am Ausgang der MND-Schaltung 19A, das den Zustand des Flip-Flop 21 umschaltet, so daß dieser am Q-Ausgang ein L-Pegelsignal hat. Dadurch wird der Transistor 17 in Fig·

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nichtleitend, so daß nur der Kondensator 5 in die Schwingschaltung einbezogen ist und die Schwingungsfrequenz f. beträgt. Der Binärzähler 18 erhält nacheinander mit einer Frequenz von 1 Hz Impulse. Wenn der Zählzustand auf den eingestellten Wert 595 kommt, tritt Koinzidenz an den Eingängen mit Η-Pegel an den ausgewählten EXCLUSXV-ODER-Kreisen der Logikgatter auf, d.h. an dem ersten, zweiten, fünften, siebenten und zehnten Gatter, während an den übrigen Gattern L-Pegel herrscht. Da alle Ausgänge der Logikschaltung g^, bis g auf Η-Pegel sind, ist der Ausgang der HAND-Schaltung 20 auf L-Pegel, wodurch der Zustand des Flip-Flops 21 umgeschaltet wird. Der Transistor 17 wird leitend und schaltet damit den Kondensator 6 parallel zum Kondensator 5 in die Schwingschaltung ein, wodurch die Schwingfrequenz auf den Wert f_? übergeht. Danach zählt der Binarzähler 18 weiter bis zu seinem Maximalwert N, was den Zustand des Flip-Flop 21 wiederum umschaltet und die Osziallatorfrequenz in den ersten Wert f.* überwechseln läßt. Es wird auf diese Weise dieselbe mittlere Schwingungsfrequenz erzielt, wie es in Verbindung mit der Fig. 2 bereits erläutert wurde. Bei diesem Ausführungsbeispiel können die Ausgänge des Einstellzählers 22 ersetzt v/erden durch eine Vielzahl von Schaltern, um damit die H- und L-Pegel auszuwählen.

Zusätzlich zu den beschriebenen Ausführungsbeispielen steht auch die Schaltung nach Fig. 4 zur Verfügung, nach der der Schaltkontakt des Schalters S während der Zeit t^, auf der Seite des Kondensators 5 und während der Zeit t~ auf der Seite des Kondensators 6A steht, wobei die Schaltung in rhythmischer Folge durchgeführt wird. Gemäß Schaltung 5 kann die Änderung der Kapazität auch durch Veränderung einer Vorspannung 26 erfolgen, die an einen spannungsgesteuerten, verstellbaren Kondensator 25 angelegt wird, wie etwa eine PN-Übergangsdiode. Die Frequenz des Eingangsimpulses zum Binärzähler 18 muß nicht unbedingt 1 Hz sein. Es lassen sich auch andere Frequenzen wie 16 Hz und 32 Hz als Taktimpulse verwenden. Sie werden deshalb mit dem allgemeinen Begriff "Ausgangsimpulse von der Quarzoszillatorschaltung" belegt.

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Pig. 6 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung in Blockdiagrammform, worin die bereits aus der ]?ig. 1 bekannten Elemente dieselben Bezugs ζ eichen haben. Der Inverter 3-A. bildet zusammen mit dem Inverter 3B die integrierte Inverterschaltung 3. Eine Reihenschaltung von Widerständen 62 und 64- liegt parallel zum Quarzschwingelement Λ. Ein Spannungsteilerwiderstand liegt in Reihe mit der integrierten Schwinginverterschaltung 3· Ein Transistor 67 ist dem Widerstand 66 parallel geschaltet, wodurch dieser intermittierend kurzgeschlossen werden kann. Die Oszillatorfrequenz des Schwingquarzes ändert sich mit Änderung mit der sich ändernden Spannung (an den Punkten A und B in Fig. 6), die der integrierten Inverterschaltung 3 zugeführt wird. Dies zeigt die Kurve der Fig. 7· Nimmt man an, daß die Werte der einzelnen Bauteile so gewählt sind, daß bei Zufuhr einer Spannung E = 4 Volt die Standardfrequenz F abgegeben wird, so liegt bei höherer Spannung die Frequenz darüber und bei niedrigerer Spannung darunter. Die Spannung E,., die der integrierten Inverterschaltung 3 zugeführt wird, wenn der Spannungsteilerwiderstand 66 eingeschaltet ist, ist niedriger, als die Spannung Eoj die bei kurzgeschlossenem Widerstand zugeführt wird. Es ist deshalb stets möglich, derartige Schaltkreiskonstanten zu wählen, daß die Abweichung der Schwingfrequenz vom Standardwert für den ersten Spannungswert negativ und für den zweiten Spannungswert positiv ist. In der Zeichnung ist ein einziger Widerstand dargestellt, der jedoch durch mehrere Widerstände, die wahlweise in die Schaltung einbezogen werden, ersetzt v/erden kann. Es können auch in Reihe liegende und z.T. parallel geschaltete oder kurzgeschlossene Widerstände vorgesehen sein. Ganz allgemein können auch andere Impedanz elemente wie eine Diode oder ein MOS-FET anstelle des Widerstandes verwendet werden.

Die bereits in Verbindung mit Fig. 10 aufgeführte Beziehung trifft auch für die Schaltung der Fig. 6 unter folgender Annahme zu: t^j ist die Zeitspanne, während der der Transistor leitend und damit der Widerstand 66 kurzgeschlossen ist, so daß die Inverterschaltung 3 die Spannung Ep zugeführt erhält,

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so daß die Schwingfrequenz den Wert f. hat mit einer positiven Abweichung <<, (die Anzahl der während der Zeit t. erzeugten Impulse ist n^,). tp ist die Zeitspanne, während der Transistor 67 nichtleitend ist und damit die Inverterschaltung die Spannung E,, zugeführt· erhält, womit die Schwingftequenz f₂ eine negative Abweichung j3 hat (die Anzahl der Impulse in der Zeit t~ ist n~). Der Fachmann versteht nun sehr leicht, daß die mittlere Frequenz fQ des Quarzoszillators durch Ein- Ausschalten des Schalttransistors 67 in Fig. 6 sehr leicht praktisch gleich der Standardfrequenz F gemacht werden kann, wobei dieselbe Folge der Ein-Ausperioden wie beim Schalter 7 der Fig. 1 gewählt wird. Es ist aus diesem Ausführungsbeispiel einleuchtend, daß dieselbe Wirkung erhalten wird, auch wenn der Spannungsteilerwiderstand auf der Seite der Spannungsquelle eingesetzt wird (auf der Seite des Punktes A in Fig. 6) oder wenn die Spannung V-^ der Spannungsquelle selbst geändert wird.

Obgleich die mittlere Frequenz fQ so eingestellt wird, daß sie nur eine sehr kleine Abweichung von der Standardfrequenz F hat, ändert sie sich doch bei TemperaturSchwankungen, wie dies in der Fig. 8 gezeigt ist, und auch aufgrund von Alterungsvorgängen oder anderen, vom Verstreichen längerer Zeit abhängigen Vorgängen. In Fig. 8 ist die Temperatur auf der Abszisse und das Verhältnis der Frequenzabweichung auf der Ordinatenachse aufgetragen. Die zwei Kurven 1,, und I₂ zeigen, wie stark die Schwingfrequenzen f^ und f₂ durch TemperaturSchwankung von der Standardfrequenz F abweichen. Elektronische Uhren mit einem derartigen Quarzoszillator gehen dann naturgemäß vor oder nach, abhängig von der Umgebungstemperatur oder der Laufdauer. Die Fehlzeitanzeige ist durch die Gerade II bedingt, die von der Geraden I abweicht, welche in der Fig. 10 die genaue Zeit darstellt. Die Größe der Abweichung nimmt mit zunehmender Zeit zu. Um diesen Anzeigefehler zu beseitigen sind in den üblichen elektronischen Uhren häufig Zeiteinstellschaltkreise vorgesehen, die einen Stundenschiebe- oder Förderimpuls für einen negativen Fehler erzeugen und die Minuten und Sekundenzählwerte

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sowohl für negative als auch für positive Fehler auf Hull stellen. Die Anzeigefehler von ± 60 Sekunden kann durch einen einfachen lippvorgang korregiert werden, um dadurch ein Signal zum Zeiteinstellkreis in einem speziellen Moment zuzuführen, z.B. wenn das Zeitzeichen über den Rundfunk wahrgenommen wird. Es ist damit also möglich, Ze it abweichungen bis zu 1 Minute wegzuschneiden oder aufzufüllen. Dies ist dargestellt in der Fig.30, wo mit gestrichelten Linien die angezeigte Zeit in den Zeitaugenblicken Tq, T^₁ .·..· korregiert wird. Dieses Zeiteinstellverfahren ist auf den Seiten 28 - 64 Nr. 1 Band 17 und auf den Seiten 81 - 103, Nr. 5 Band 18 der Japanischen Zeitschrift "DENSHI GIJUTSU" beschrieben. Eine solche Zeiteinstellung beseitigt jedoch nicht die Frequenzabweichung der Quarzschwingschaltung von der Standardfrequenz oder die Laufabweichung der Uhr. Mit anderen Worten, die Steigung der Gerade". II in der Fig. 10 ist dadurch nicht verändert worden, so daß dieses Verfahren den Mangel an sich hat, daß der Fehler in nahezu gleichem Maße von einem Korrekturaugenblick zum. nächsten zunimmt.

Ein drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung dient der Überwindung dieses Mangels. Bei dieser Ausfuhrungsform wird die Frequenzteilerschaltung, die die bekannte Tippzeiteinstellschaltung einschließt, dazu benutzt zu beurteilen, ob der Zeitlauffehler der Uhr auf die vorgehende oder die nachgehende Seite fällt. Abhängig vom Ergebnis dieser Feststellung wird die Schwingungsfrequenz des Quarzoszillators jedesmal, wenn die von der Uhr angezeigte Zeit korregiert wird, um einen bestimmten Betrag nachjustiert. Auf diese Weise kann man seine elektronische Uhr nahezu laufabweichungsfrei oder nur mit äußerst kleinem Laufabweichungsfehler einstellen.

Diese Ausführungsform der Erfindung wird nun anhand der Fig. beschrieben. Es sind auch, hier wieder die bereits aus den Fig. und 6 bekannten Teile mit denselben Bezugsziffern gekennzeichnet. Der Schwingquarz 1, ein erster und ein zweiter Kondensator 5 und 6 zur Frequenzsteuerung und Inverter JA und 3B in

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Verbindung mit Widerständen 62 und 64- und dem Kondensator 2 bilden eine Quarzschwingschaltung 90. Das Bezugszeichen 91A "bezeichnet einen ersten Frequenzteiler, der Impulssignale erzeugt, durch denen die Stunden, Minuten und Sekunden bezeichnet werden und welche durch Teilen des Ausgangs des Oszillators erhalten werden. Ein zweiter Frequenzteiler 91B erhält die Stundenimpulssignale vom Teiler 91A zugeführt, um die Impulssignale für die Monats- und Datumsanzeigen zu liefern. Die Anzeige selbst ist mit 92 gekennzeichnet. Sie liefert die Anzeige von Monat, Datum, Stunde, Minute und Sekunde aufgrund der vorgenannten Impulssignale. In der bereits beschriebenen Schaltung sind die Kondensatoren 5 und 6 mit solchen Werten gewählt, daß wie in Fig. 8 dargestellt,die Oszillatorfrequenz f. um den Wert tx zum Positiven von der Standardfrequenz F während der Öffnungszeit des Schalters 17 abweicht, während die Frequenz fp negativ um den Wert ? von der Standardfrequenz F während der Schließzeit des Schalters 17 abweicht, zumindest innerhalb des praktisch auftretenden Temperaturbereichs. Durch Steuern des Schalters 17 in der Weise, daß das Verhältnis t^/tp der Öffnungsund Schließzeit oder das Verhältnis η,,/η^ der Anzahl von Impulsen bei den Frequenzen f^ und fp einen Wert hat, wie an früherer Stelle genannt, wird die mittlere Schwingfrequenz fQ des Oszillators 90 praktisch gleich der Standardfrequenz F.

Für diesen Zweck wird bei dieser Ausführungsform die Anzahl der Impulse n,. in dem einstellbaren TJmkehrzähler 22 durch eine Aus gangs leitung L. der Befehlsschaltung 95 in. der Zeichnung gespeichert, um die Frequenz f_Q des Oszillators 90 gleich der Standardfrequnz F zu machen, und ein Bihärzähler 18 ist so eingestellt, daß er bis zur Maximalzahl N = n,, + n-o ^z^ⁿ^· Am Anfang schwingt der Quarzoszillator mit der höheren Frequenz f.. Tritt am Anfang des Koinzidenzkreises 20 Übereinstimmung mit dem Inhalt des Umkehrzählers 22 beim n^-ten Zählwert des Binärzählers 18 auf, dann kehrt der Ausgangswert des Koinzidenzkreises 20 den Zustand des Flip-Flop 21 um, so daß das Q-Ausgangssignal den Schalter 17 schließt. Anschließend zählt der Binärzähler 18 die Impulse mit niederigerer Frequenz f~

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des Oszillators 90. In dem Augenblick, wo der Zählzustand von (n. +Up) auf den Anfangswert Hull zurückkehrt, tritt am Eingang der IiOR-Schaltung 19B Koinzidenz auf, und das Flip-Flop wird gelöscht, wodurch Schalter 17 erneut geöffnet wird.

Der eingestellte Zustand des Wertes n^ paßt jedoch nach längerer Laufdauer aufgrund der Umgebungsbebindungen nicht mehr. Die stärkere Abweichung der Durchschnittsfrequenz f_ß führt zu einer stärkeren positiven oder negativen Abweichung der Zeitanzeige. Um diese Zeitanzeige zu korregieren wird auf den Befehlskreis 95 ein Stellimpuls AD z.B. gegeben wie auch auf den Zeiteinstellkreis 93» indem auf einen Tastknopf gedrückt wird, wenn der OJräger der Uhr das Zeitsignal im Rundfunk hört. Die Zeiteinstellschaltung 93 läßt aufgrund des AD-Signals den ersten Frequenzteiler 91A die Funktion ausführen, bis zu 1 Minute hinzuzufügen oder wegzuschneiden, denn aufgrund des AD-Signals werden Minuten und Sekundenanzeige des ersten Frequenzteilers 91A auf die Werte 00 Minuten und 00 Sekunden gebracht. Wird ein Fachhängen festgestellt, dann wird dem zweiten Frequenzteiler 91B ein Stundentranportsignal HG zugeführt, um die Stundenanzeige um eins zu erhöhen. V/ird festgestellt, daß die Uhr "vorgegangen ist, dann wird kein derartiges Stundentranspoz'tsignal HC abgegeben, sondern es werden lediglich die Minuten und Sekundenanzeigen auf UuIl gestellt. Dieses Signal HC v/ird ebenfalls, wenn es auftritt, dem Befehlskreis 91 zugeleitet. Der Operationsbefehlskreis 95 gibt einen Addierbefehl K oder einen Subtrahierbefehl F an einen Rechner 94- ab, je nachdem, ob das HC-Signal nun aufgetreten ist oder nicht. Auf den Empfang des Bcfehlssignals. hin addiert der Rechner 94- den Inhalt des Umkehrszählers 22 zum Komp ens at ions wert, der bereits in durch eine Leitung L2 in ihm eingestellt ist oder subtrahiert den Letzteren vom Ersten. Die resultierende Summe oder Differenz wird zum einstellbaren Umkehrzähler 22 auf einen voreingestellten Befehl vom Befehlskreis 95 ihm zugeleitet. Diese Korrektur bringt, wie leicht einzusehen ist, die mittlere Frequenz f~ in größere Nähe zur Standardfrequenz F bei den nunmehr neu eingestellten Bedingungen» So v/ird bei dieser Ausführungsform der Lauf-

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abweichungsfehler, der in Pig. 10 durch, die Linie II dargestellt ist, nach der ersten Korrektur "bei einer Zeit T verringert, wie dies durch die strichpunktierte Gerade III dargestellt ist. Die Gerade VT stellt dann eine weitere Annäherung an die Gerade I dar, nachdem im Zeitpunkt t^ eine weitere Korrektur durchgeführt worden ist. Schließlich nähert sich die Linie der Zeitanzeige der exakten Linie I sehr nahe an und verläuft praktisch in Form einer Zickzacklinie mit der Linie I als Mittel. Das "bedeutet, daß nur ein Zeitkorrekturvorgang ausreicht, damit der Benutzer dann den bestmöglichen Abgleichzustand erreicht. Die Schaltung nach dieser Ausführungsform ist so vorteilhaft, daß nach mehreren Einstellimpulsen AD der eingestellte Wert des einstellbaren Umkehrzählers 22 sich automatisch dem optimalen Wert angepaßt hat, unabhängig davon, welcher v/ert ursprünglich eingestellt war, was zu einer erheblichen Vereinfachung der Einstellarbeit während des Produktionsvorgangs der Uhr führt. Der durch die Leitungen L2 gesetzte Kompensationswert im Rechner ?A kann als beliebiger Wert gewählt werden, und ein kleiner Wert bedeutet eine nur geringe Abweichung der schließlich eingestellten Zeitlaufcharakteristik von der korrekten Linie.

Bei dem beschriebenen dritten Ausführungsbeispiel wird ein Rechner 94- benützt, um den voreingestellten Wert des Umkehrzählers 22 zu korregieren, doch kann dieser Rechner auch weggelassen werden· Für diesen Fall wird ein Befehlskreis 95 > wie er in Fig. 11 dargestellt ist, verwendet, und sein Zeitplan ist in der Fig. 12 wiedergegeben.

Wenn ein Einstellimpuls AD dem ersten monostabilen Multivibrator 121 im Befehlsschaltkreis 95 zugeleitet wird, dann erscheint am Ausgang ein Impuls PI von vorgegebener Dauer·. Der Impuls . wird auf die Zeiteinstellschaltung 93» den zweiten monostabilen Multivibrator und den D-Eingang eines Flip-Flop 121 gegeben. An der abfallenden Flanke des Impulses P1 gibt der zweite monostabile Multivibrator 122 einen Impuls P2 ab. Wenn die Uhr nun nachgeht, dann wird unmittelbar nach der ansteigenden

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Flanke des Impulses P1 ein Stundenfortschaltsignal HC der Klemme T des Flip-Flop 123 zugeführt. Der Impuls P1 mit H-Pegel zu dieser Zeit läßt das Flip-Flop 123 an seinem Q-Ausgang ein TI-Pegelsignal erzeugen, das zum Umkehrzähler 22 mit Hilfe des: Impulses P2 geleitet wird und dort als "Auf-Signal" wirkt, indem 1 zu dem eingestellten Wert des Zählers 22 hinzuaddiert wird, so daß die mittlere Oszillatorfrequenz des Quarzoszillators angehoben wird. Läuft dagegen die Uhr zu schnell, dann wird unmittelbar nach Ankunft des Einstellimpulses AD kein ßtundenfortschaltimpuls HC zugeführt, das Flip-Flop 123 gibt an seinem Q-Ausgang L-Pegel ab aufgrund eines Stundenimpulses vom ersten Frequenzteiler 91A, der in der vorhergehenden normalen Operation erzeugt wird. In dem Augenblick, in dem der P2~Impuls erzeugt wird aufgrund des zugeführten AD-Impulses, wird das Ir-Pegelsignal am Q-Ausgang in den Umkehrzähler 22 aufgenommen, und der eingestellte Wert wird um 1 verringert, so daß die mittlere Frequenz des Oszillators gesenkt wird. Auf diese Weise wird der Vorlauf oder die Verspätung der Uhr beseitigt.

Es wird also mit der Erfindung eine quarzgesteuerte Schwingschaltung geschaffen, welche die Genauigkeit der elektronischen Uhr festlegt und so beschaffen ist, daß die Oszillatorfrequenz zwischen einer über der Standardfrequenz liegenden und einer darunter liegenden hin- und hergeschaltet wird. Das Verhältnis der Zeitspanne t^,, während der die Oszillatorschaltung mit der höhersn. Frequenz arbeitet, zu der anderen Zeitspanne t₂, in der die niedrigere Frequenz herrscht, wird umgekehrt proportional zu den Abweichungen der jeweiligen Frequenz von der Standardfrequenz gewählt, so daß die durchschnittliche Frequenz auf diese Weise gleich der Standardfrequenz gemacht werden kann. Die Schwingungsfrequenz kann durch eine abwechselnde Auswahl von zwei verschiedenen Kapazitätswerten gesteuert werden, um die Oszillatorfrequenz abzustimmen. Die Quarzoszillatorschaltung gibt verschiedene Frequenzen aufgrund verschiedener Umgebungstemperaturen und der Alterung, was zu Lauffehlern der Uhr führt.

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Es bestehen bereits Frequenzteilerschaltungen für elektronische Uhren, mit denen die Zeitanzeige durch eine Tastbetätigung eines Druckknopfes im Augenblick eines Zeitsignals korregiert v/erden kann. In dem Augenblick, in dem die Tastbetätigung ausgeführt wird, erzeugt die Teilerschaltung einen lOrtschaltimpuls, wenn die Uhr nachgeht, und keinen Impuls, wenn die Uhr vorgeht. Bei der Erfindung wird nun dabei eine entsprechende Änderung des Verhältnisses tVtp vorgenommen, um die durchschnittliche Ausgangsfrequena des Quarzoszillators möglichst nahe an die Standardfrequenz heranzubringen, so daß dadurch der Zeitlauffehler auf ein Minimum gebracht wird.

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Claims (8)

1. 280284i

   PATENTANSPRÜCHE

   Laufabstiimnungseiiirichtung für quarzgesteuerte Uhren, Vielehe einen quarzgesteuerten Oszillatorkreis, einen Frequenzteiler zum Unterteilen der Ausgangsimpulsfrequenz des Oszillators zur Bildung von Signalen für Stunden, Minuten und Sekunden und eine Zeitanzeigeschaltung enthalten, die die Ausgangssignale des Frequenzteilers erhält, gekennzeichnet durch Mittel zur abwechselnden Auswahl eines von zwei unterschiedlichen Werten einer die Schwingungsfrequenz abstimmenden Kapazität, welche in die Quarzoszillatorschaltung einbezogen ist, von denen ein Kapazitätswert im Oszillator eine erste Schwingungsfreqaenz hervorruft, die in positiver Richtung vom Standardwert abweicht, während der andere Kapazitätswert eine zweite Schwingungsfrequenz, die negativ abweicht, bewirkt, wobei die Kapazitätswerte im Zeitaufteilungsprinzip angewählt werden und das Verhältnis der Ausgangsimpuls zahlen in der ersten Frequenz zu dem in der zweiten Frequenz so bestimmt wird, daß die durchschnittliche Oszillatorfrequenz sich nahe dem Standardfrequenzwert befindet.
2. 2. Einrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Binärzähler zum Zählen der Ausgangsimpulse des Oszillatorkreises, einen Einstellzähler (21), in welchem eine gewünschte Ausgangsimpulszahl entweder der ersten oder der zweiten Oszillatorfrequenz gespeichert ist, eine Koinzidenzschaltung zum Feststellen der Übereinstimmung des Inhaltes des Binärzählers (18) mit dem eingestellten Viert des Einstellzählers (22), ein Flip-Flop (21), das abhängig vom Ausgangssignal der Koinzidenzschaltung abschaltbar ist und den in der Quarzoszillatorschaltung enthaltenen Kapazitätswert umschaltet, und eine

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   Logikschaltung zum Rückstellen des Flip-Elop-Zustandes beim maximalen Zählwert oder beim Zählwert Null des Binärzählers (18).
3. 3· Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekenn zeichnet , daß die Abweichungen der ersten und der zweiten Oszillator frequenz bzw. sind und die Ausgangsimpuls zahlen der beiden Frequenzen η,, und n₂ sind, welche zueinander in folgender Beziehung stehen

   Xi₁ = ITß / (,-- + 3 ), n₂ = Ή - n^.
4. 4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, die die Oszillatorfrequenz bestimmenden Kondensatoren in zwei Gruppen (5j 6) aufgeteilt sind und die eine Gruppe (6) periodisch von der Quarzoszillatorschaltung für eine bestimmte Zeitspanne getrennt wird, während die Kondensatoren der anderen Gruppe mit der Oszillatorschaltung in Verbindung bleiben.
5. 5· Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die die Oszillatorfrequenz bestimmenden Kondensatoren in zwei Gruppen (5» 6a) aufgeteilt und abwechselnd mit der Quarzoszillatorschaltung für bestimmte Zeitspannen verbunden sind.
6. 6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensator (26) ein spannungsgesteuerter, variabler Kondensator ist, der auf zwei unterschiedliche Vierte einstellbar ist, von denen öeder während seiner vorbestimmten Zeitspanne wirksam ist.

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7. 7. LaufabstiimungseiiH?ichtung für elektronische Uhren mit einer quarzgesteuerten Oszillatorschaltung, einer Frequenzteilerschaltung, die Signale erzeugt, Vielehe Stunden, Minuten und Sekunden darstellen, und eine Anzeigeschaltung darstellen, der von der Frequenzteilerschaltung zugeführten Werte, gekennzeichnet durch Kittel zum Auswählen eines von zwei unterschiedlichen Werten einer die Oszillatorfrequenz abstimmenden Kapazität, die in die Quarzoszillatorschaltung einbezogen ist, und eine Zeiteinstellschaltung, die mit Zeiteinstellimpulsen in einem "bestimmten Augenblick versorgt wird zum Erzeugen eines Stundenfortschaltimpulses "bei negativer Anzeigeabweichung und zum zwangeweisen Einstellen der Minuten und Sekundenanzeige auf Null bei negativer und positiver Anzeigeabweichung, um die Zeitanzeige in der Anzeigeschaltung auf einen bestimmten Wert einzustellen, wobei ein Kapazitätswert des Kondensators im Quarzoszillator eine erste Oszillatorfrequenz erzeugt, die positiv von der Standardfrequenz abweicht, der andere Kapazitätsxifert des Kondensators in der Oszillator schaltung eine zweite Oszillatorfrequenz hervorbringt, die negativ von der Standardfrequenz abweicht und die beiden Kapazitätswerte abwechselnd im Zeitteilerprinzip in die Quarzoszillatorschaltung einbezogen sind, wobei das Verhältnis der Ausgangsimpulszahlen in diesen beiden Zeitspannen so abgestimmt ist, daß die durchschnittliche Frequenz nahe der Standardfrequenz·ist, daß ein Stundenfortschaltimpuls, den der Frequenzteiler aufgrund eines Taktabstimmimpulses hervorbringt, die Anzahl der Ausgangsimpulse mit der ersten Oszillatorfrequenz um einen bestimmten Betrag erhöht und bei Fehlen des Stundenfortschaltimpulses verringert, um dadurch das Verhältnis der Ausgangsimpulszahlen zu verändern.
8. 8. Einrichtung nach Anspruch 7, gekennzeichnet

   durch einen Binärzähler (18) zum Zählen der Ausgangsimpulse des Quarzoszillators (90), einen Einstellzähler (22

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   ORIGINAL INSFECTED

   in dem die gewünschte Ausgangsimpulszahl in entweder der ersten oder der zweiten Oszillatorfrequenz eingestellt wird, einen Koinzidenzkreis (20), der Koinzidenz zwischen dem Inhalt des Binärzählers (18) und dem eingestellten Wert des Einstellzählers (22) feststellt, ein Flip-Flop (21), dessen Zustand durch das Ausgangssignal des Koinzidenzkreises (20) umgeschaltet wird und daß die Kapazitätswerte der Kondensatoren (5> 6) im Oszillatorkreis (90) ändert, eine Logikschaltung (19B) zum abermaligen Umschalten des Flip-Flop-Zustandes beim maximalen Zählwert oder beim Zählwert Null des Binärzählers (18), einen Rechner (94-) zum Addieren eines vorbestimmten Wertes zum eingestellten Wert des Einstellzählers (22) oder zum Subtrahieren des vorbestimmten Wertes von jenem, und einem Operationsbefehlskreis (95)» der die Anwesenheit eines Stundenfortschaltsignals (HO) von der Frequenzteilerschaltung (91) unterscheidet in dem Augenblick, in dem ein Uhrenabstimmimpuls (AD) zugeführt wird, und nach dem Ergebnis dem Rechner (94-) Befehle eingibt, eine Addition oder eine Subtraktion durchzuführen, um den Inhalt des Einstellzählers (22) auf einen neuen Einstellwert zu bringen.

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