DD260776B1

DD260776B1 - Schaltungsanordnung zum abgleich von quarzuhren

Info

Publication number: DD260776B1
Application number: DD30378087A
Authority: DD
Inventors: Harald Toepfer
Original assignee: Ruhla Uhren Veb K
Priority date: 1987-06-15
Filing date: 1987-06-15
Publication date: 1990-08-22
Also published as: DD260776A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Abgleich von Quarzuhren, insbesondere von Quarzoszillatoren in Quarzuhren mit analoger Anzeige. Ziel der Erfindung ist eine unkomplizierte Schaltungsanordnung einer trimmerlosen Kompensation der über der Sollfrequenz liegenden Oszillatorfrequenz der Zeitbasis einer elektronischen Uhr. Nach der Schaltungsanordnung ist zwischen den Quarzoszillator und der ersten Stufe des Teilers eine Impulsausblendschaltung angeordnet, die mit dem Ausgang einer Steuerimpulserzeugungsschaltung verbunden ist. Die Impulsausblendschaltung ist ein gesteuertes Tor, das aus einem NOR-Gatter besteht, welches von einer Impulserzeugungsschaltung gesteuert wird. Die Impulsausblendschaltung erhält Impulse von einer Steuerimpulserzeugungsschaltung. DerAbgIeichvorgang wird an Bondinseln dieses Schaltungskomplexes durch Zuschalten realisiert.

Description

Hierzu 6 Seiten Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung --— ·

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Abgleichen von Quarzuhren, insbesondere von Quarzoszillatoren in Quarzuhren mit analoger Anzeige.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

In der Patentschrift CH 558559 ist eine elektronische Uhr beschrieben, deren Oszillator mit einer Frequenz arbeitet, die minimal unter der Sollfrequenz von 32768Hz liegt. Zur Erzielung der Ausgangsfrequenz von 1 Hz wird das Hinzufügen einer bestimmten Anzahl von Impulsen an einer markanten Stelle des Frequenzteilers erforderlich, z. B. im voreinstellbaren Teiler mit Hilfe eines zusätzlichen Frequenzteilerabschnittes. Der voreinstellbare Frequenzteiler wirkt also in der Weise, daß am Eingang des Hauptteils des Frequenzteilers Impulse zugesetzt werden, um den Fehlbetrag der Oszillatorfrequenz auszugleichen. Das System arbeitet in der Weise additiv, daß sich eine durchschnittliche Frequenz von f/2ⁿ Hz ergibt. Realisiert wird diese Maßnahme mittels einer logischen Schaltung mit Flipflop- und Torfunktionen.

Gleichfalls wird in der Schweizer Auslegeschrift 618832 ein Gerät zur Erzeugung von Taktimpulsen beschrieben, das einen Impulsgenerator, einen Frequenzteiler und elektronische Mittel zur Addition bzw. Subtraktion von Impulsen enthält.

Es werden Impulse addiert, welche eine Stufe des Frequenzteilers passieren, und es werden Impulse subtrahiert, die eine andere Stufe des Frequenzteilers passiert haben. Das Gerät weist eine äußere Klemme auf, die es erlaubt, das Additions- und Subtraktionsverhäitnis zu steuern. Die elektronischen Mittel zur Realisierung dieser Lösung sind mit Logikelementen versehen, deren Impulse markanten Stellen des Teilers zugeführt werden.

Die Nachteile dieser Lösungen bestehen im großen schaltungstechnischen Aufwand.

Weiterhin ist in der DE-OS 2211441 eine Zeitbasis mit einem Impulsgenerator und einem Frequenzteiler beschrieben, die einen Quarz mit stabiler Frequenz in großem Toleranzbereich aufweist. Zur präzisen Abgleichung der Zeitbasis ist eine logische Folgeschaltung zwischen einem dem Impulsgenerator folgenden ersten Teiler und einer Teilerkette angeordnet. Diese Schaltung bewirkt die Sperrung der Übertragung von Impulsen vom ersten Teiler an die nachfolgende Teilerkette in Abhängigkeit vom logischen Zustand eines Steuereinganges der Schaltung. Es werden weitere Ausführungsbeispiele für die Realisierung der Impulsausblendung mit den dazu gehörigen Impulsausblendschaltungen beschrieben. Hierzu sind entsprechende Speicher erforderlich. Die Steuerschaltung besteht aus mehreren Blöcken und hat eine wesentlich höhere Stromaufnahme, wodurch die Batterie der Uhr leistungsstärker sein muß. Das geht aber zu Lasten kleiner Bauhöhen der Uhrwerke.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist eine schaltungstechnisch unkomplizierte Schaltungsanordnung einer trimmerlosen Kompensation der über der Sollfrequenz liegenden Oszillatorfrequenz der Zeitbasis einer elektronischen Uhr.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine weitere Schaltungsanordnung zum Abgleich von Quarzuhren zu schaffen, bei der Impulse eines über der Sollfrequenz schwingenden Quarzoszillators impulssteuerbar ausgeblendet werden. Erfindungsgemäß ist in einer Impulsausblendschaltung der Ausgang eines Inverters an den zweiten Eingang eines NOR-Gatters geschaltet, dessen erster Eingang an den Ausgang eines Flipflops und an den Eingang eines weiteren Flipflops geführt ist. Der zweite Eingang des NOR-Gatters ist mit dem zweiten Eingang eines anderen NOR-Gatters verbunden, dessen erster Eingang mit dem Ausgang eines Inverters und dessen Ausgang mit dem Eingang eines weiteren Flipflops verbunden sind. Der R-Eingang dieses Flipflops ist an den Ausgang eines anderen Inverters und dessen Eingang an den Ausgang eines NOR-Gatters gelegt. Der erste Eingang dieses NOR-Gatters und der R-Eingang des ersten Flipflops sind mit dem Ausgang eines weiteren NOR-Gatters verbunden, während der O-Ausgang dieses Flipflops mit dem zweiten Eingang des vierten NOR-Gatters und der Eingang des Inverters mit dem Ausgang eines weiteren NOR-Gatters der Steuerimpulserzeugungsschaltung verbunden sind, die eine Kaskodeschaltung ist, die jeweils einen, zwei, vier, acht oder sechzehn Impulse auf fünf Bondinseln gibt. Das Signal dieser der Programmierung der Uhr dienenden Bondinseln wird über NAND-Gatter, den Inverter und ein NOR-Gatter auf die . Steuerschaltung gegeben.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. In der zugehörigen Zeichnung zeigen

Fig. 1: das Blockschaltbild einer herkömmlichen Quarz-Analoguhr;

Fig.2: die Impulsausblendschaltung;

Fig.3: die Impulsfolge an den Punkten A bis E;

Fig.4: die Steuerimpulserzeugungsschaltung;

Fig. 5: den Impulsplan der Steuerimpulserzeugungsschaltung;

Fig.6: das Blockschaltbild der Inhibitionsabstimmung.

Die Schaltungsanordnung der elektronischen Uhr besteht aus einem an sich bekannten Quarz-Oszillator 34 mit einer Frequenz von 32768Hz, dem ein mehrstufiger Frequenzteiler 37, ein Impulsformer 38, ein Motortreiber 39 und ein Schrittmotor 40 nachgeschaltet sind.

Zwischen dem Quarzoszillator 34 und dem Frequenzteiler 37 ist eine Impulsausblendschaltung 35 geschaltet, die mit einer Impulserzeugungsschaltung 36 verbunden ist. Bestandteile der Impulsausblendschaltung 35 nach Fig.2sind ein gesteuertes Tor mit dazugehöriger Steuerschaltung. Danach ist dem Quarzoszillator 34 ein Inverter 44 nachgeschaltet, dessen Ausgang an den zweiten Eingang eines NOR-Gatters 1 geschaltet ist. Sein Ausgang führt an einen 4:1 -Teiler des Frequenzteilers 37. Der erste Eingang des NOR-Gatters 1 ist an die Leitung zwischen dem Ausgang des Flipflops 6 und dem Eingang des Flipflops 7 geschaltet. Der erste Eingang eines NOR-Gatters 32 ist an den zweiten Eingang des NOR-Gatters 1 gelegt, während der zweite Eingang an den Ausgang des Inverters 5 und der Ausgang an den Takteingang des Flipflops 6 führt, dessen Reset-Eingang zum Ausgang des Inverters 3 geht. Die Flipflops 6; 7 sind Master-Slave-FFS, deren Ausgänge Q den logischen Pegel bei einer H-L-Flanke an den Takteingängen wechseln. Bei Reset = H geht der Ausgang Q auf L Der Eingang des Inverters 3 ist mit dem Ausgang des NOR-Gatters 4 verbunden, dessen erster Eingang zusammen mit dem Reset-Eingang des Flipflops 7 an den Ausgang des Inverters 5 gelegt sind. Der zweite Eingang des NOR-Gatters 4 geht an den Q-Ausgang des Flipflops 7. Das NOR-Gatter 1 bildet das gesteuerte Tor, das von der Schaltungsanordnung um die NOR-Gatter 32; 4, die Inverter 3; 5 und die Flipflops 6; 7 gesteuert wird. Der Eingang des Inverters 5 führt an den Ausgang des NOR-Gatters 11, dessen erster Eingang an den Ausgang des Inverters 10 gelegt ist. Sein Eingang ist mit dem Ausgang eines NAND-Gatters 8 verbunden. Der zweite Eingang des NOR-Gatters 11 führt an den Ausgang eines NAND-Gatters 9, dessen Eingang mit Vio; Ve; ¹A Hz sowie mit Impulsen aus der Impulserzeugungsschaltung 36 angesteuert werden. Die Impulserzeugungsschaltung 36 erzeugt aus den Signalen 16Hz und 256Hz Impulse der Länge V512S und der Frequenz 16Hz. Der Ausgang des NAND-Gatters 9 ist an den zweiten Eingangeines NOR-Gatters 41 gelegt, dessen Ausgang über einen Inverter 42 und einer Bondinsel 27 zum letzten Eingang des NAND-Gatters 8 führt. Ein 8Hz-Signal gelangt zum ersten Eingang des NAND-Gatters 13 und an den ersten Eingang des NOR-Gatters 41. Der Ausgang des NAND-Gatters 9 gelangt zu einem Inverter 12, dessen Ausgang mit dem zweiten Eingang des NAND-Gatters 13 verbunden ist, dessen Ausgang an den zweiten Eingang des NOR-Gatters 14 und an den Inverter 16 geht. Ein 4-Hz-Signal des Frequenzteilers 37 speist den ersten Eingang des NAND-Gatters 17 und den des NOR-Gatters 14, dessen Ausgang über den Inverter 15 und die Bondinsel 28 zum vorletzten Eingang des NAND-Gatters 8 gelangt. Der Ausgang des NAND-Gatters 17 ist logisch mit dem zweiten Eingang des NOR-Gatters 18 verknüpft, dessen Ausgang über den Inverter 19 und die Bondinsel 29 zum mittleren Eingang des NAND-Gatters 8 führt. Ein 2-Hz-Signal des Frequenzteilers 37 gelangt zum ersten Eingang des NOR-Gatters 18 und zum ersten Eingang des NAND-Gatters 43. Vom Ausgang des NAND-Gatters 17 geht eine logische Verknüpfung an den Inverter 20, dessen Ausgang mit einem Inverter 23 und dem zweiten Eingang des NOR-Gatters 21 verbunden ist. Sein Ausgang führt zu einem Inverter 22 und dessen Ausgang über eine Bondinsel 30 zum zweiten Eingang des NAND-Gatters 8. Der Ausgang des NAND-Gatters 43 führt zu einem Inverter 23, dessen Ausgang an den zweiten Eingang des NAND-Gatters 24 gelegt ist. Der erste Eingang des NAND-Gatters 24 ist mit dem des NOR-Gatters 21 verbunden und wird mit 1-Hz-Signal angesteuert. Der Ausgang des NAND-Gatters 24 geht auf den zweiten Eingang des NOR-Gatters 25, dessen Ausgang mit einem Inverter 26 verknüpft ist, der mit einer Bondinsel 31 verbunden ist, die zum ersten Eingang des NAND-Gatters 8 führt. Der erste Eingang des NOR-Gatters 25 wird mit dem Signal V2HZ beaufschlagt. Der zweite Eingang ist mit dem Ausgang des NAND-Gatters 24 verbunden. Sein Ausgang ist mit dem Inverter 26 verknüpft, der über die Bondinsel 31 an den ersten Eingang des NAND-Gatters 8 gelegt ist. Die Schaltungsanordnung nach Fig.4 stellt so eine Kaskodeschaltung dar, die in Funktion der Steuerimpulserzeugungsschaltung 45 die Ausblendschaltung 35 steuert.

Die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung ist folgende:

Durch das gesteuerte Tor mit dem NOR-Gatter 1 werden in definierter Weise 32-kHz-lmpulse ausgeblendet, so daß die elektronische Uhr langsamer geht. Der genaue Gangabgleich erfolgt derart, daß in einem bestimmten Invervall (Meßzeit T_M) n32-kHz-lmpulse ausgeblendet werden und so das Schwingverhalten des mit einer über der Sollfrequenz schwingenden Quarz-Oszillators 34 beeinflußt wird.

Werden im Intervall (Meßzeit T_M) η Impulse ausgeblendet, so ergibt sich folgende Verstimmung V:

_ _Δί__ _ η · 30,5 ps

f T_M

Bei Quarzuhren mit einem solchen Inhibitionsabgleich erfolgt die Messung des Ganges so, daß mit einem induktiven Aufnehmer die Abstände zwischen den Motorimpulsen ermittelt werden. Dabei müssen die beiden Impulse, zwischen denen gemessen wird, genau die oben erwähnte Meßzeit T_M durchlaufen. Hierfür sind Werte von 10; 20 und 60 Sekunden üblich. Als akzeptabler Wert für Uhrenhersteller und Service haben sich lOsermitteln lassen.

Nach der erfindungsgemäßen Lösung erfolgt die Gangkorrektur bei 32 kHz Oszillatorfrequenz mit einer Meßzeit T_M = 10s. Das Ausblenden einzelner 32-kHz-lmpulse geschieht mit der Schaltungsanordnung nach Fig. 2.

Von entscheidender Bedeutung ist die Anordnung des NOR-Gatters 1 zwischen dem Quarzoszillator 34 und dem Teiler 33. Wird auf den Eingang C des Inverters 5 ein beliebig langer „H"-Impuls gegeben, so wird genau ein 32-kHz-lmpuls durch das NOR-Gatter 1 ausgeblendet. Ein „H"-Impuls auf dem Inverter 5 aktiviert die Reset-Eingänge der beiden flankengetriggerten Flipflops 6; 7. Bei der nächsten L-H-Flanke am Ausgang A schaltet der Ausgang D des Flipflops 6auf„H", wodurch am NOR-Gatter 1 der nächste L-Impuls des Quarzoszillators 34 gesperrt wird. Bei der nächsten L-H-Flanke vom Ausgang A geht das Flipflop 6 wieder auf „L", so daß das NOR-Gatter 1 wieder durchlässig wird. Gleichzeitig geht das Flipflop 7 auf „H". Damit wird das Flipflop 6 über das NOR-Gatter 4 und den Inverter 3 resetet, und der Ausblendvorgang ist beendet. Das Flipflop 6 wird nun durch das Flipflop 7 so lange im Resetzustand gehalten, bis der Eingang C wieder „L" wird und die Flipflops 6; 7 resetet. Nun kann ein neuer Η-Impuls an den Eingang C gegeben werden. Da die Ausblendfunktion vom 32-kHz-Eingang flankengesteuert wird, ist die Länge und Phasenlage des Η-Impulses am Eingang C völlig beliebig. Er muß aber mindestens eine 32-kHz-Periode überdecken.

Der Abgleich der Quarzuhr wird nun dadurch hergestellt, daß in einer Meßzeit T_M eine bestimmte Anzahl von „H"-Impulsen auf den Eingang C gegeben und somit die gleiche Anzahl 32-kHz-lmpulse ausgeblendet wird.

Die hierfür erforderliche Steuerschaltung ist in Fig.4 dargestellt. Die Teilerkette nach Fig. 1 wird deshalb bis 0,1 Hz weitergeführt zur Erzeugung der Meßzeit T_M = 10s. Die Impulserzeugungsschaltung 36 nach Fig.4 erzeugt synchron zur L-H-Flanke des 16-Hz-Signals Η-Impulse mit der Länge einer halben 256-Hz-Periode. Das nachfolgende 4-Fach-NAND-Gatter 9, das als Tor wirkt, läßt diese Impulse innerhalb der Meßzeit T_M nur 2 s lang durch, was aus dem vergrößerten Ausschnitt der Fig. 5 ersichtlich ist. Am Ausgang F des NAND-Gatters 9 stehen also innerhalb von 10s je 32 L-Impulse mit einer Länge von 2 ms zur Verfügung. Das Zusammenziehen der Impulse auf ein 2-Sekunden-lntervall bringt eine Beschleunigung des Testvorganges. Durch die dem NAND-Gatter 9 folgende Schaltung werden aus den 32 Impulsen 1; 2; 4; 8 und 16 gewonnen. Vom NOR-Gatter 41 werden von den 32 Impulsen am Ausgang F nur 16 während derL-Phasevon 8Hz hindurchgelassen. An der Bondinsel 27 stehen somit 16 L-Impulse an. Am Ausgang des NAND-Gatters 13 stehen die restlichen 16 L-Impulse zur Verfügung. Von diesen werden durch das NOR-Gatter 14 und den Inverter 15 8 Impulse auf die Bondinsel 28 geleitet. Dieser Vorgang setzt sich in analoger Weise bis zur Bondinsel 31 fort. Hier steht dann nur noch ein L-Impuls in 10 Sekunden an. Der erfindungsgemäße Schaltungskomplex nach Fig. 4 besteht vorteilhaft aus vier gleichen Teilblöcken, die kaskadiert mit 4; 2; 1 und 0,5 Hz angesteuert werden. Das bringt für die Layouterzeugung des integrierten Schaltkreises große Vorteile, da der Schaltungsblock nur einmal entworfen zu werden braucht.

Die Bondinseln 27 bis 31 dienen zur eigentlichen Abstimmung der elektronischen Uhr. Sie werden auf der nicht dargestellten Leiterplatte durch kurze Leiterbahnen mit der Spannung Udd = 1,5 V verbunden. Nach der Messung der Quarzfrequenz erfolgt der Abgleich durch definiertes Unterbrechen einiger Leiterbahnen mittels bekannter technologischer Operationen wie Bohren, Stanzen usw. Fig. 5 zeigt die Spannungen an den offenen Ausgängen der Bondinseln 27 bis 31. Sind diese mit der Spannung U_DD verbunden, so wird die kurze L-Nadel unterdrückt. Sind beispielsweise die Bondinseln 30; 29; 27 an die Spannung Uqd gebondet, die Bondinseln 31; 28 offen, so ergibt sich am Eingang C die in Fig. 5 unten gezeigte Spannung. Mit jeder L-Nadel am Eingang C wird eine 32-kHz-Schwingung vor dem Teiler 33 ausgeblendet. In diesem Fall würden also innerhalb von 10 Sekunden 9 bis 32 kHz-Impulse ausgeblendet, was einem Minusgang der Uhr von 27,5 ppm entspräche. Damit kann der entsprechende Plusgang des Quarzoszillators kompensiert werden. Fig.6 veranschaulicht das Zusammenwirken derTeilschaltungen. Die Inverter 26; 22; 19; 15; 42, die die Bondinseln 27 bis 31 ansteuern, sind so hochohmig dimensioniert, daß der im Fall der Verbindung mit der Spannung Udd in den Bondinseln 31; 30; 29; 28 oder 27 fließende Fehlstrom die Energiequelle der Uhr nur unwesentlich belastet. Die Schaltungsanordnung bietet insgesamt den Vorteil, daß nur eine serielle Signalschnittstelle zur Korrekturschaltung notwendig ist, im Eingang C.

Insbesondere brauchen aus den mit hoher Frequenz betriebenen Teilerstufen keine Signale entnommen werden, wie es in bekannten Lösungen der Fall ist.

Claims

1. Schaltungsanordnung zum Abgleichen von Quarzuhren, insbesondere von Quarzoszillatoren in Quarzuhren mit analoger Anzeige, bei der mittels elektronischer Mittel wie Logikschaltungen zur Erzielung der Sollfrequenz einen hierüber schwingenden Quarzoszillator eine bestimmte Anzahl ~ von Impulsen an einer markantenStelle des Frequenzteilers ausgeblendet werden, dadurch gekennzeichnet, daß in einer Impulsausblendschaltung (35) der Ausgang eines Inverters (44) an den zweiten Eingang eines NOR-Gatters (1) geschaltet ist, dessen erster Eingang an den Ausgang eines Flipflops (6) und an den Eingang eines Flipflops (7) geführt ist, daß der zweite Eingang des NOR-Gatters (1) mit dem zweiten Eingang des NOR-Gatters (32) verbunden ist, dessen erster Eingang mit dem Ausgang des Inverters (5) und dessen Ausgang mit dem Eingang des Flipflops (6) verbunden sind, daß der R-Eingang des Flipflops (6) an den Ausgang des Inverters (3) und dessen Eingang an den Ausgang des NOR^:Gatters (4) gelegt sind, daß der erste Eingang des NOR-Gatters (4) und der R-Eingang des Flipflops (7) mit dem Ausgang des Inverters (5) verbunden sind, während der Q-Ausgang des Flipflops (7) mit dem zweiten Eingang des NOR-Gatters (4) und der Eingang des Inverters (5) mit dem Ausgang des NOR-Gatters (11) der Steuerimpulserzeugungsschaltung (45) verbunden sind.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerimpulserzeugungsschaltung (45) eine Kaskodeschaltung ist, die jeweils 1; 2; 4; 8 oder 16 Impulse auf die Bondinseln (27; 28; 29; 30; 31) gibt und daß das Signal dieser der Programmierung dienenden Bondinseln der Uhr (27; 28; 29; 30; 31) über NAND-Gatter (8), den Inverter (10) und das NOR-Gatter (11) auf die Steuerschaltung gegeben wird.