DE102004050242B4

DE102004050242B4 - Zeitkontrolle von elektronischen Uhren

Info

Publication number: DE102004050242B4
Application number: DE102004050242A
Authority: DE
Inventors: Heinz Rinderle
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2004-10-15
Filing date: 2004-10-15
Publication date: 2006-07-27
Anticipated expiration: 2024-10-16
Also published as: DE102004050242A1

Abstract

Verfahren zur manuellen Zeitkontrolle einer elektronischen Uhr, insbesondere einer Armbanduhr, mit:
– einer analogen oder/und einer digitalen Zeitanzeigeeinheit (2) zur Zeitanzeige,
– Bedienelementen zur Start-/Neustarteinstellung, zur Zeitumstellung, wie Daylight Saving Time-Umschaltung und Zeitzonenumschaltung, und zur Synchronisation (Zeitrastersynchronisation) eines vorgegebenen Zeitrasters (Zeitrastergröße) der Zeitanzeige mit dem entsprechenden Zeitraster einer externen Referenzzeit,
– einer Zeitrastereinheit (7) zur Bestimmung von durch Gangfehler bedingten Zeitabweichungen (Δt_R) zwischen dem Zeitraster der Zeitanzeige und dem Zeitraster der externen Referenzzeit,
– einem Zeittaktgeber (4), aus dem die Taktung der Zeitanzeigeeinheit (2) und der Zeitrastereinheit (7) abgeleitet wird,
bei der:
– die Start-/Neustarteinstellung und die Zeitumstellung mechanisch oder in elektronisch ausgeführten Zeitschritten mittels manueller Steuerbefehle (19) erfolgt,
– eine Synchronisation der Zeitrastereinheit (7) mit dem vorgegebenen Zeitraster der Zeitanzeige während oder vor oder nach der Start-/Neustarteinstellung mittels eines über ein Bedienelement zugeführten Synchronisationsbefehls (12) ausgeführt wird,
– die Bestimmung der...

Description

Die Erfindung betrifft die Zeitkontrolle von elektronischen Uhren, insbesondere von Armbanduhren, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Solche Uhrensysteme werden außer in Armbanduhren in vielen Arten von Gebrauchsuhren, wie beispielsweise in Tischuhren, Wanduhren, Wecker, Uhrenradios, Anrufbeantworter, Uhren in Haushaltsgeräten, Mobile Phone und PCs, zum Teil funkgesteuert, eingesetzt.
Die Grundausstattung solcher Uhren besteht aus einem Zeittaktgeber (4), bestehend aus einem Quarzoszillator und Frequenzteiler, und einer Zeitanzeigeeinheit (2) mit einer zugeordneten Steuereinheit (16), die die Umsetzung der manuellen Befehle (19) für die Einstellung der Zeitanzeigeeinheit (2) über die Steuerbefehle (17) bewirkt.
Bei höherwertigen Uhren werden eine Reihe von zusätzlichen Funktionen angeboten, wie Datum-/Wochentaganzeige, automatischer Kalender und Zeitzoneneinstellung, die in der Steuereinheit (16) und der Zeitanzeigeeinheit (2) berücksichtigt sind.
Bei einfachen (billigen) Uhren werden die Gangfehler hauptsächlich vom relativen Frequenzfehler (Δf/f) des Uhrenquarzes bestimmt.
Die für diese Uhren zum Einsatz kommende Uhrenquarze können nach den Datenblattangaben der Quarzhersteller Frequenzfehler bis zu ± 50(100)ppm (part per million) aufweisen. Da für solche Uhrensysteme aus Kostengründen vielfach keine Kalibrierung vorgesehen ist, ergibt sich rein rechnerisch ein zu erwartender Gangfehler von bis zu ± 4,32(8,64) s/Tag oder ca. ± 2(4) min/Monat.
Bei höherwertigen Uhren werden Uhrenquarze mit eingeschränkter Fehlertoleranz (± 30 ppm) eingesetzt und zusätzlich eine Kalibrierung des Uhrentakts vorgenommen. Damit lässt sich der maximale Gangfehler solcher Uhren auf ca. ± 15s/Monat reduzieren – beispielsweise bei Armbanduhren.
Obwohl bei Armbanduhren die Gangfehler in der Regel sehr viel geringer sind, muss mit den von Uhrenherstellern angegebenen maximalen Gangfehlern gerechnet werden.
Die Kalibrierung des Uhrentakts erfolgt durch Kompensation des relativen Frequenzfehlers des Uhrenquarzes am Ende des Produktionsprozesses, bei fertig montierter Uhr. Der Prozess der Kalibrierung (21) und die Speicherung der Korrekturdaten erfolgt hierbei über die Batterieanschlüsse des Uhren-ICs.
Ein bekanntes Prinzip dieses Korrekturverfahrens besteht darin, dass die Frequenz des Quarzoszillators grundsätzlich höher als die Sollfrequenz eingestellt wird, beispielsweise um 60ppm, und die Korrektur der Taktrate durch Beeinflussung des Frequenzteilers erfolgt. Diese Beeinflussung besteht darin, dass die mittlere Zeittaktrate, die der Anzeigeeinheit zugeführt wird, durch zyklische Unterbrechung einer bestimmten Anzahl von Zeittakten innerhalb des Frequenzteilers des Zeittaktgebers, die beispielsweise alle Minute erfolgt, eingestellt wird. Diese Art der Beeinflussung der Taktrate wird mit Inhibition bezeichnet. Die ermittelten Daten für diese Korrektur werden in einem EEPROM (nichflüchtiger Speicher) gespeichert.

Dieses Verfahrens ist beispielsweise in einem Datenblatt eines Uhren-Ic's der Firma Philips Semiconductors unter der Bezeichnung: PCA2002 32 kHz watch circuit with programmable output period and pulse width, auf Seite 4 beschrieben.

Danach ist mit der Zeittaktkorrektureinheit eine Kompensation von relativen Frequenzfehlern im Bereich von 0....258 ppm mit einer Auflösung von ca. 2 ppm oder im Bereich von 0...129 ppm mit einer Auflösung von 1 ppm programmierbar. Die erforderliche Speichertiefe umfasst 8bit.

Im Zusammenhang mit der Erfindung wird die Ermittlung der Zeitabweichung, deren Korrektur und/oder der Korrektur des verursachenden Gangfehlers sowie die Zeitumstellung bei Zeitzonenwechsel oder die Sommerzeitumstellungen, als Zeitkontrolle bezeichnet.

Bezüglich der Zeitanzeige erfolgt die Zeitkontrolle bei den bekannten Quarzuhren im allgemeinen durch Synchronisation der Istzeit der Uhr mit einer Referenzzeit, beispielsweise der Ortszeit, die in der erforderlichen Genauigkeit über das Fernsehen oder über das Radio mehrmals täglich und auch weltweit verfügbar ist.

Die Zeitkontrolle hinsichtlich Zeitzonen- und Sommerzeitumstellungen werden ebenfalls manuell veranlasst, wobei bei manchen Uhrensysteme die Zeigereinstellung elektromechanisch, unter Verwendung von elektronisch gesteuerten Schrittschaltmotoren, erfolgt.

Die Notwendigkeit der Zeitsynchronisation trifft auch für bekannte funkgesteuerte Quarzuhren (Funkuhren) zu, wenn diese nicht das Funksignal über längere Zeit empfangen können. In diesem Falle entspricht deren Gangfehler denen von normalen (kalibrierten) Quarzuhren, die deshalb ebenfalls von Zeit zu Zeit eine Synchronisation der Zeitanzeige benötigen, wenn auf Genauigkeit der Zeitanzeige entsprechender Wert gelegt wird.

Die Verfahren der Zeitkontrolle bei den bekannten (einfacheren) Uhrensysteme erfordern zum Teil als Vorbereitung den Stopp der Uhr bei Stellung des Sekundenzeigers in 12:00 Uhr-Position und die manuelle Einstellung der Zeitanzeige (Minute und Stunde) auf eine bestimmte Ortszeit, mit der die Uhr synchronisiert werden soll.

Bei Gleichheit von Ortszeit (Zeitzeichen z.B. über Radio, Fernsehen) und dieser Zeiteinstellung wird die Uhr – z.B. durch Tastendruck (Krone) – wieder gestartet, d.h. mit der Ortszeit synchronisiert.

Dieses Verfahren der Startsynchronisation von Quarzuhren ist aus den Bedienungsanleitungen verschiedener Uhrenhersteller zu entnehmen, beispielsweise aus der Bedienungsanleitung der Firma Junghans für die Quarz-Armbanduhr: Junghans World Timer.

Eine Variante dieses Verfahrens ist in der Betriebsanleitung: USER'S GUIDE 2367/2739 der Firma CASIO, auf Seite 1 beschrieben. Danach wird die manuelle Zeiteinstellung der Analoganzeige bei der Startsynchronisation oder bei erforderlichen Zeitkorrekturen, zum Unterschied zu der zuvor beschriebenen, die Zeigerbewegung elektronisch über die Bedienung von 2 Tasten (±) im Uhrzeigersinne und gegen Uhrzeigersinn bewirkt.

Eine spezielle Zeitkorrekturmöglichkeit ist für 4-Digit LCD Kfz-Uhren bekannt, bei denen eine Zeitkorrektur von max ±2 Minuten durch Knopfdruck erfolgen kann. Dieses Verfahren ist jedoch nur anwendbar in einem Zeitfenster von ±2 Minuten um die jeweils angezeigte volle Stunde und berücksichtigt nicht die Besonderheiten der Korrektur von analogen Zeitanzeigen mit Zeigern. Außerdem erfolgt keine Auswertung der Zeitabweichung.

Diese Methode der Zeitkorrektur ist beispielsweise im Datenblatt des Uhren-Chips mit der Typenbezeichnung: PCF1171C (für Kfz-Uhren vorgesehen) der Firma Philips Semiconductors, auf Seite 5 beschrieben. Diese Methode wird offensichtlich dann eingesetzt, wenn eine elektronische Kalibrierung des Zeittaktes nicht vorgesehen ist.

Der generelle Nachteil dieser Methode besteht darin, dass der Uhrennutzer in der zeitlichen Freiheit stark eingeschränkt ist, wenn er auf diese Weise eine Zeitkorrektur vornehmen möchte. Das gleiche gilt für den Service.

Der Nachteil dieser bekannten Verfahren der Zeitkontrolle sind die damit verbundenen Umstände für den Uhrennutzer: Erforderliche Kenntnisse des Ablaufs, Zeitaufwand und geforderte Sorgfalt. In allen Fällen muss jedes mal ein relativ aufwändiger Vorgang für die Zeitkontrolle (Synchronisation mit der Ortszeit) wiederholt werden.

Bei Funkuhren wird die Synchronisation mittels eines Zeitzeichensignals, das von einem Zeitzeichensender ausgesendet wird, automatisch ausgelöst. Hierzu muss in der Uhr ein spezieller Funksignalempfänger mit einem Antennensystem (Ferritantenne) vorhanden sein, der das hochfrequente Zeitzeichensignal täglich (manchmal mehrmals täglich) empfängt und auswertet.

Das Zeitzeichensignal beinhaltet neben den Zeitdaten (Stunden, Minuten und Sekunden) u.a. auch die Kalenderdaten, die Ankündigung und Ausführung der Schaltsekundeeinfügung und die Schaltsignale für die Sommerzeit-Ein und -Ausschaltung – in der weiteren Beschreibung mit DST-Umschaltung bezeichnet (Daylight Saving Time).

Der markanteste Vorteil des Funkuhrsystems ist die automatische DST-Umschaltung, die den Wünschen für Uhrennutzer nach Bequemlichkeit entgegenkommt.

Die grundsätzliche Problematik der bekannten Funkuhren liegt darin, dass der Empfang der Zeitzeichensignale unter ungünstigen Empfangsbedingungen (Entfernung zum Zeitzeichensender, Störsignale) unsicher ist und daher oft Anlass für Kundenreklamationen sind.

Eine weltweite Nutzung der Vorteile dieses Systems ist deshalb auf absehbare Zeit nicht wahrscheinlich.

Ein weiterer Nachteil des Funkuhrsystems besteht in der Einschränkung des Uhrendesigns im Hinblick auf die verwendbaren Materialien, hinsichtlich der Platzanforderungen des Funksignalempfängers und dessen Antenne, sowie im erhöhten Betriebsstrombedarf, der einen häufigeren Batteriewechsel als bei herkömmlichen Quarz-Armbanduhren erforderlich macht oder entsprechende Mehrbelastungen sonstiger Betriebstromquellen (Solarzellen) bedingt.

Ein anderer Aspekt der Zeitkontrolle von elektronischen Uhren ist die Korrektur des Gangfehlers, d.h. die Korrektur des Zeittakts des Zeittaktgebers um bestehende oder entstehende Gangfehler zu minimieren. Solche Korrekturen werden beispielsweise im Zusammenhang mit sogenannten "Echtzeituhren" (RTC = Real Time Clock) für PCs eingesetzt. Die verwendeten Verfahren bestehen darin, dass die Zeitanzeige der "Echtzeituhr" in bestimmten Zeitabständen mit einem Zeitzeichensignal (Referenz) verglichen werden, daraus die erforderlichen Korrekturdaten für die Gangkorrektur berechnet und auf dieser Basis die Korrekturen ausgeführt werden.

Der Nachteil dieses Verfahrens besteht darin, dass geeignete Zeitzeichensignale (automatisch über Internet oder manuell) verfügbar sein müssen und dass das Prozessing relativ aufwändig ist und deshalb bis heute die Anwendung auf Uhren für Rechnersysteme oder auf Zeitmeßsysteme, im Zusammenhang mit kommerziellen Anwendungen, beschränkt ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein System für die Zeitkontrolle von elektronischen Uhren anzugeben, das die genannten Nachteile vermeidet und mit dem eine deutliche Vereinfachung der Zeitkontrolle erzielt werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Der Hauptvorteil der erfindungsgemäßen Zeitkontrolle liegt in deren Einfachheit und Effektivität für den Uhrennutzer, die Genauigkeit der Zeitanzeige bedarfsgerecht, unabhängig von Zeitzonen und ohne Bedarf von Zeitzeichensignale kontrollieren zu können.

Einzige Voraussetzungen, die beim erfindungsgemäßen Verfahren außerhalb der Uhr zu erfüllen sind, bestehen darin, dass

a) von Zeit zu Zeit, beispielsweise alle Monate oder nach mehreren Monaten oder bei Bedarf, ein Synchronisationsbefehl und zwar in einem vorgegebenen Zeitraster einer externen Referenzzeit der Uhr zugeführt werden muss und dass
b) die Zeitanzeige der Uhr durch die Start-/Neustartsynchronisation mit der externen Referenzzeit (Ortszeit) in einem vorgegebenen Zeitraster zuvor synchronisiert wurde.

Dieses Verfahren der Synchronisation wird im Zusammenhang mit der Erfindung als Zeitrastersynchronisation bezeichnet.

Die Zeitrastersynchronisation kann beispielsweise für eine Armbanduhr vom Fernsehsessel aus zu Beginn der Abendnachrichten veranlasst werden, indem lediglich eine Taste/Krone zum Zeitpunkt des Zeitsprungs der Fernsehuhr auf die volle Stunde zu betätigen ist, ohne dabei Sichtkontakt mit der Uhr haben zu müssen.

Aber auch andere zuverlässige Zeitquellen können zur Zeitrastersynchronisation herangezogen werden, wie die Zeitanzeige von Funkuhren, die Zeitansage über Rundfunk, weltzeit-synchrone PC-Uhren, die vielfach weltweit permanent für den Uhrennutzer verfügbar sind. Dabei ist die Zeitsynchronisation dieser Art unabhängig von der Ortszeit, sofern deren Zeitraster gleich dem der Weltzeit (UTC) ist.

Die Philosophie, die dem erfindungsgemäßen Verfahren zugrunde liegt, beruht auf der Nutzung der Tatsache, dass bei "genauen" Uhren, korrekte Startsynchronisation vorausgesetzt, zwischen der Istzeit (Zeitanzeige) der Uhr und der Sollzeit (externe Zeitreferenz/Ortzeit) eine große Redundanz besteht. Das bedeutet, dass über einen längeren Zeitraum die Zeitanzeige der Uhr mit der Referenzzeit weitgehend übereinstimmt. Eine Kontrolle der Zeitanzeige kann daher, unter bestimmten Bedingungen, auf den Zeitbereich von 1 Minute oder wenigen Minuten beschränkt werden, wodurch aufwendige Verfahren der manuellen Zeitkontrolle oder Zeitkontrolle über Zeitzeichensignale, wie sie bei Funkuhren nötig sind, durch das erfindungsgemäße Verfahren ersetzt werden können.

Die Grundidee des erfindungsgemäßen Verfahrens der Zeitkontrolle besteht in der Einrichtung eines zusätzlichen Zeitmesssystems, nämlich eines Zeitrastersystems innerhalb des Uhrensystems, das sich bei zeitkoordinierter Zuführung eines Synchronisationsbefehls auf das Zeitraster einer externen Referenzzeit synchronisieren lässt.

So kann beispielsweise bei der Vorgabe eines Zeitrasters von 1 Minute das interne Zeitrastersystem zu jeder Minute der Referenzzeit mit dem Zeitraster der Referenzzeit synchronisiert werden.

Die erfindungsgemäße Zeitrastersynchronisation ist die Grundlage für die Bestimmung der Zeitabweichung zwischen der Istzeit der Uhr und der Referenzzeit zum Zeitpunkt der Zuführung des Synchronisationsbefehls. Die damit ermittelte Zeitabweichung ist dann u. a. die Grundlage für die Zeitkorrektur, die für die Synchronisation der Zeitanzeige mit der externen Referenzzeit erforderlich ist.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Kontrolle der Zeitabweichung beispielsweise über 2 separate Zeittaktzähler, die Bestandteil des Zeitrastersystems sind, bestimmt. Diese werden zum Zeitpunkt der Startsynchronisation, bzw. zum jeweiligen Zeitpunkt eines zugeführten Synchronisationsbefehls, abwechselnd gestartet und der Zählerinhalt des jeweils anderen Zeittaktzählers zum Zeitpunkt des Synchronisationsbefehls ausgelesen und zur Berechnung der seit der letzten Zeitrastersynchronisation entstandenen Zeitabweichung herangezogen.

Dies soll an Hand der beiden folgenden Beispiele für ein 1-Minutenraster und für ein 5-Minutenraster erläutert werden:

a) Angenommen sei die Benutzung eines 1-Minutenrasters für die Zeitrastersynchronisation. Der 1. Zeittaktzähler, der vom Zeittaktgeber (4) laufend die Zählimpulse (14) erhält, wurde beim letzten Synchronisationsbefehl gestartet. Für das 1-Minutenraster ist der Zeittaktzähler so eingerichtet, dass er zyklisch die Sekunden von 1...60 zählt. Dieser Zeitzyklus ist gleichzeitig die Zeitfensterbreite, in der die Auswertung der Zeitabweichung erfolgt. Die Zähleranzeige (t_R) zum Zeitpunkt des nächsten Synchronisationsbefehls (13) gibt Aufschluss über die Richtung und Größe der Zeitabweichung (Δt_R) des Uhrensystems, die seit dem Zeitpunkt des letzten, zugeführten Synchronisationsbefehls entstanden ist. Nimmt man ferner an, dass die maximalen Zeitabweichungen, die innerhalb der Zeitabschnitte der Synchronisationsbefehle entstehen, in beiden Richtungen < 30s sind, ergeben sich folgende Aussagen für die Zeitabweichung: Für t_R < 30s gilt Δt_R = t_R, d.h. die Uhr geht vor sonst gilt: Δt_R = t_R – 60s, d.h. die Uhr geht nach.
b) Wird beispielsweise ein 5-Minutenraster vorgegeben, d. h. die Synchronisationsbefehle werden der Uhr jeweils zur vollen 5. Minute der Referenzzeit zugeführt, dann sind die Zeittaktzähler so einzurichten, dass sie zyklisch von 1.....300s zählen. In diesem Falle ist das Zeitfenster für die Auswertung der Zeitabweichung 300s breit. Für dieses Zeitraster ist damit die korrekt zu erfassende Zeitabweichung 149s, wenn innerhalb des Zeitbereiches der Synchronisationsbefehle die entstehenden Zeitabweichungen in beiden Richtungen < 150s bleiben. Entsprechend gilt dann folgende Aussage: Für t_R < 150s ist Δt_R = t_R, d.h. die Uhr geht vor. sonst Δt_R = t_R – 300s, d.h. die Uhr geht nach.

Danach wird erfindungsgemäß die Zeitrastersynchronisation praktisch auf die gesamte Breite des jeweilige Zeitrasters angewendet.

Die Auswertung des Zeitfensters kann erfindungsgemäß auch in einem unsymmetrischen Format erfolgen, d.h., dass beispielsweise die Entscheidung für ein "Vorgehen", bzw. "Nachgehen" der Uhr nicht mit der Mitte des Zeitfensters (Zeitfensterbreite) übereinstimmen muss, sondern in die eine oder andere Richtung verschoben werden kann. Die ist dann von Vorteil, wenn die Zeitabweichung vornehmlich positiv oder negativ ist.

Durch entsprechende Festlegung des Grenzwertes kann damit erreicht werden, dass die korrekte Bestimmung der Zeitabweichung innerhalb des Zeitfensters deutlich vergrößert werden kann, wodurch der maximale Zeitabstand zwischen den Zeitrastersynchronisationen vergrößert werden kann.

Eine Vergrößerung der effektiven Zeitfensterbreite wird durch eine Erweiterung der Erfindung ermöglicht, deren Erweiterung besteht darin, dass das Ergebnis der Zeitabweichung der Zeitrastersynchronisation aus der Vergangenheit in die Bewertung der nächsten Zeitrastersynchronisation einbezogen wird. Dabei wird die Richtung der Zeitabweichung der letzen Zeitrastersynchronisation (vorgehende oder nachgehende Istzeit der Uhr), nötigenfalls auch deren Größe, in der Weise bewertet, dass bei positiver Zeitabweichung in der Vergangenheit angenommen werden kann, dass auch die Zeitabweichung für die folgende Zeitrastersynchronisation ebenfalls positiv ist und umgekehrt.

Unter dieser Annahme lässt sich beispielsweise unter Beibehaltung des Minutenrasters, das Zeitfenster für die Bewertung der Zeitabweichung auf max ± 59s erhöhen. Das bedeutet, wenn die Zeitabweichung bei der vorangegangenen Zeitrastersynchronisation positiv war, gilt für die Berechnung der nachfolgenden Zeitabweichung: Zeittaktzählerinhalt-00s und entsprechend Zeittaktzählerinhalt-60s, wenn die Zeitabweichung bei der vorangegangenen Zeitrastersynchronisation negativ war.

In den beschriebenen Beispielen für die Bestimmung der Zeitabweichungen aus den Zählerinhalten der Zeittaktzähler, wurde deren Zeittakt zu 1 Sekunde angenommen. Grundsätzlich sind jedoch auch andere (wesentlich größere) Taktfrequenzen für den den Zeittaktzählern zuzuführenden Zeittakt (14) möglich. Entsprechend sind dann auch der Zeittaktzähler und deren Auswertungen anzupassen. Auf diese Weise kann die Auflösung der Zeitbestimmung und die daraus abgeleitete Korrektur der Zeitabweichung entsprechend erhöht werden.

Das 5-Minuten-Zeitraster ist besonders zweckmäßig für Uhren ohne Sekundenanzeige, wie sie beispielsweise bei Designer-Uhren anzutreffen sind, oder generell für Gebrauchsuhren mit größeren Gangfehlern, oder für Uhren, die über längere Zeit (wegen des bisher damit verbundenen Umstandes) nicht "nachgestellt" werden. Die erfindungsgemäße Zeitkorrektur mittels "Tastendruck" erleichtert (motiviert) in solchen Fällen eine Zeitkorrektur erheblich.

Bei den beschriebenen erfindungsgemäßen Beispielen wird die Nutzung separater Zeittaktzähler vorgeschlagen. Diese Nutzung garantiert den Betrieb der Zeittaktzählung unabhängig von den anderen Vorgängen, wie den Ablauf der Zeitkorrektur.

Die Korrektur der Zeitanzeige kann erfindungsgemäß nach folgenden Prinzipien erfolgen:

• Bei positiver Zeitabweichung (Uhr geht vor) sind die gezählten Zeittaktimpulse (Zählerinhalt) von denen der Zeitanzeigeeinheit zugeführten Zeittaktimpulse (3) zu subtrahieren oder eine Umkehrung der Bewegungsrichtung der Zeitanzeige (gegen Uhrzeigersinn) durch entsprechende Anzahl von Zeittakten (3b) die Korrektur zu bewirken.
• Bei negativer Zeitabweichung (Uhr geht nach) sind die fehlenden Zeittaktimpulse zusätzlich der Zeitanzeigeeinheit zuzuführen.

Erfindungsgemäß wird zur schnellen Korrektur der Zeitanzeige vorgeschlagen, die Addition, bzw. die Subtraktion von Zeittakten in Paketen mit höherer Taktfrequenz durchzuführen. So können beispielsweise der der Zeitanzeigeeinheit (2') zugeführten 1-Sekundentakte (3a; 3b) bei jedem Takt 60 Zusatztakte mit einer Taktfrequenz von 64 Hz oder auch 100 Zusatztakte mit einer Taktfrequenz von 128 Hz hinzugefügt werden, ohne dabei die Nominalfunktion der Zeittaktzuführung zu beeinträchtigen. Auf diese Weise ist eine Zeitkorrektur von 5 Minuten in 5, bzw. 3,6 Sekunden möglich. Eine elektronische Zeitkorrektur von Zeigeruhren von 1 Stunde für DST-Umschaltungen ist danach in 60, bzw. in 36 Sekunden möglich – vorausgesetzt, dass die Elektromechanik dies ermöglicht.

Dieses Verfahren ist somit auch für die elektronische Uhrzeiteinstellung beim Start/Neustart der Uhr, ausgehend von der Zeigersynchronisation auf die 12:00 Position, anwendbar, ähnlich dem Prozess in Funkuhren.

Eine weitere Ergänzung der Erfindung besteht darin, dass die manuell veranlasste Zeiteinstellung, die beim Start-/Neustart der Uhr getätigt werden muss, nur im größten vorgegebenen Zeitraster erfolgt, beispielsweise nur in Schritten von 5 Minuten.

Diese Methode garantiert, dass die Uhr für die Start-/Neusynchronisation, ohne umständliche Einstellungen für den Uhrennutzer oder des Service-Dienstes, immer korrekt vorbereitet werden kann. Die Start-/Neusynchronisation erfolgt dann wie üblich bei Übereinstimmung der Referenzzeit mit der Zeitanzeige.

Erfolgt die Zeiteinstellung auf elektronischem Wege, wird hierzu erfindungsgemäß der Zeittakt für die Steuerung der Zeitanzeigeeinheit (2; 2') in Zeitschritten, entsprechend dem maximal vorgegebenem Zeitraster, aufgeteilt. Die Zeiteinstellung kann beispielsweise auf diese Weise erfolgen, in dem eine Taste so lange, bis kurz vor dem gewünschten Zeitrasterpunkt gedrückt wird. Danach erfolgt der Stopp der Zeigerbewegung auf dem korrekten Zeitrasterpunkt automatisch.

Eine weitere Ergänzung der Erfindung besteht in der Anwendung der manuellen Auslösung der Zeitkorrektur für die DST-Umschaltung und Zeitzonenwechsel, die beispielsweise über die Zeitkorrektureinheit (4'h) für die Korrektur der Zeitabweichung erfolgen kann. Die Auslösung der DST-Umschaltung – DST ON, bzw. DST OFF – kann hierbei in einfacher Weise über Tastendruck erfolgen.

Eine weitere Ergänzung der Erfindung hinsichtlich DST-Umschaltung besteht in deren Automatisierung, die eine manuelle Auslösung der DST-Umschaltung erübrigt, wie dies bei Funkuhren, die sich innerhalb des Empfangsbereiches des Zeitzeichensenders befinden, üblich ist.

Hierzu ist die Ausstattung der Uhr mit der bekannten automatischen Kalenderfunktion und die Programmierung der Uhr, auf die für die betreffenden Zeitzonen geltenden Regeln für den Beginn und das Ende der Sommerzeit, erforderlich. Diese Regeln sind dann in Form von Daten in einem EEPROM gespeichert und bleiben somit, auch bei Ausfall der Betriebsversorgung, erhalten.

Auf diese Weise können Uhren für die wichtigsten Märkte, wie Europa und USA/Kanada, in denen die Regeln bereits seit vielen Jahren festgelegt sind, mit zuverlässiger automatischer DST-Umschaltung ausgestattet werden.

Bei dieser Konzeption wird im Uhrensystem ein Vergleich der Kalenderdaten und der Zeitanzeige mit den Bedingungen der Regeln, zum korrekten Zeitpunkt die Zeitanzeige um 1 Stunde automatisch vorgestellt, bzw. zurückgestellt.

Beispielsweise gilt für Europa einheitlich folgende Regel, jeweils bezogen auf die Weltzeit UTC:
Start der Sommerzeit: Letzter Sonntag im März 00:00 Uhr
Ende der Sommerzeit: Letzter Sonntag im Oktober 00:00 Uhr.

Mit dieser Regel werden alle 4 europäischen Zeitzonen erfasst, dh. die Zeitverschiebungen der Ortszeit zu UTC werden automatisch berücksichtigt, wenn bei der Berechnung des Umschaltzeitpunktes die Zeitzone ZZ = Ortszeit-UTCeinbezogen wird.

Die Umschaltbedingungen für die jeweilige Zeitzonne (ZZ=0;1;2;3) lauten dann – nach EXCEL Schreibweise:

a) Für Sommerzeit ein (+1 Stunde): WENN(UND(Monat=März; Datum>24; Wochentag=Sonntag; Zeit=00:00+ZZ); umschalten; nicht umschalten).
b) Für Sommerzeit auf (–1 Stunde): WENN(UND(Monat=Okt; Datum>24; Wochentag=Sonntag; Zeit=00:00+ZZ)); umschalten; nicht umschalten).

Die Zuordnung der Regeln zu den Zeitzonen kann durch eine an den jeweiligen Markt angepasste Programmierung der Uhr oder durch Umschaltung (Taste) oder automatisch durch die Auswahl der Zeitzone erfolgen, wobei zusätzlich eine Abschaltung der DST-Funktion möglich sein muss, um Zeitzonenbereiche/Regionen ohne Sommerzeit erfassen zu können – beispielsweise Arizona, Hawaii und Indiane in den U.S.A..

Um eine denkbare Änderung der Regeln in der Zukunft oder zusätzliche Regeln für andere Zeitzonen berücksichtigen zu können, sollte die Möglichkeit einer Umprogrammierung des EEPROM hinsichtlich solcher Regeln für die DST-Umschaltung vorgesehen werden.

Der besondere Vorteil dieses Verfahrens besteht in der "absoluten" Zuverlässigkeit der automatischen DST-Umschaltungen, gegenüber deren von Funkuhren, die von den Empfangsbedingungen der Zeitzeichensender bestimmt wird.

Eine Erweitung der Erfindung besteht in der Programmierbarkeit des Uhrensystems über PCs oder PDAs, beispielsweise über einen Infrarot-Link. In diesem Falle können die interessierenden Zeitzonendaten für die DST- Umschaltungen für die Programmierung des Uhrensystems übertragen werden. Zusätzlich sind damit auch Start-/Neustarteinstellungen und Zeitzonenumstellungen in einfacher Weise möglich – interessant für Uhrenservice.

Eine weitere Ergänzung der Erfindung besteht in der Anwendung einer unterbrechungsfreien Stromversorgung des Uhrensystems bei Batteriewechsel.

Diese kann auf 3 verschiedene Weise realisiert werden:

a) Durch verbinden der Stromanschlusskontakte mit einer externen Spannungsquelle vor der Auswechslung der Batterie bis nach der Einfügung der neuen Batterie. Die Spannung der externen Spannungsquelle sollte etwa der nominalen Batteriespannung entsprechen.
b) Durch Erweiterung der Batteriehalterung für eine 2. Batterie, deren Anschlüsse mit der 1. Batteriehalterung verbunden sind. Der Batteriewechsel erfolgt in der Weise, dass vor der Entnahme der auszuwechselnden Batterie, die neue Batterie in die jeweils freie Batteriehalterung eingesetzt wird und unmittelbar danach die alte Batterie entfernt wird.
c) Durch Nutzung einer Speicherkapazität (Super Cap), die der Betriebsspannungsversorgung parallelgeschaltet ist und die die Betriebsspannungsversorgung bis zur Einfügung der neuen Batterie aufrecht erhält. Solche Speicherkapazitäten werden beispielsweise in solarbetriebenen Uhren zur Überbrückung von "Dunkelphasen" eingesetzt.

Voraussetzung für die Anwendung dieser Methoden ist, dass ein Warnsignal dem Uhrennutzer das Ende der Betriebszeit ankündigt oder dass ein Batteriewechsel in regelmäßigen Abständen erfolgt.

Der Vorteil der unterbrechungsfreien Stromversorgung des Uhrensystems bei Batteriewechsel besteht darin, dass nach dem Batteriewechsel kein Neustart des Uhrensystems und keinerlei Zeitnachstellungen erforderlich ist, da der Betrieb des Uhrensystems beim Batteriewechsel aufrechterhalten wird. Dies ist insbesondere für die Uhrensysteme vorteilhaft, die einen automatischen Kalender beinhalten oder zusätzlich andere Daten verwalten, d.h. für Uhren die einen hohen Zeitaufwand für die Neueinstellungen erfordern würden.

Eine weitere Ergänzung der Erfindung besteht in der Anwendung einer automatischen Gangfehlerkorrektur im Uhrensystem.

Gründe für die Gangfehler von Quarzuhren sind:

– der relative Frequenzfehler des Quarzes bei nicht kalibrierten Uhren, bzw. Restfehler bei kalibrierten Uhren (Inhibition),
– der Temperatureinfluss auf die Quarzfrequenz und
– die Alterung des Quarzes (Änderung der Schwingfrequenz über der Zeit).

Die Kompensation der relativen Zeitfehler des Uhrenquarzes bei der Uhrenproduktion (Kalibrierung) wird bekanntlich eingesetzt, um den Einfluss der relativ hohen Fehlertoleranz des Uhrenquarzes zu reduzieren.

Der Temperaturgang der Schwingfrequenz (Δf/fo) eines herkömmlichen Uhrenquarzes (32KHz) entspricht einer invertierten Parabelfunktion nach der Beziehung: Δf/fo = k·(T – To)2

Darin ist k der Temperaturkoeffizient (max –0,04ppm/°C²), T die Umgebungstemperatur und To die sogenannte Turnover Temperatur mit 25°C ± 5°C. Da der Temperaturkoeffizient k negativ ist, wird für den normalen Temperaturbereich die relative Frequenzänderung Δf/f überwiegend negativ sein, wobei bei größeren Abweichungen der "Temperatur von To die Frequenzänderung stark zunimmt (Parabelfunktion).

Der Gangfehleranteil durch die Temperatur ist zwar vom zeitlichen Verlauf der Umgebungstemperatur (Temperatur-Zeitprofil) abhängig, ist aber letztlich doch mit einem Mittelwertsverlauf über eine "längere" Zeit darstellbar, deren Einfluss durch die erfindungsgemäße Zeitrastersynchronisation und kumulative Gangfehlerkorrektur erfasst wird.

Für Uhrenanwendungen, die größeren Temperaturschwankungen (–40 bis +85°C) ausgesetzt sind, beispielsweise für Anwendungen in Kraftfahrzeugen oder bei "Echtzeit"-Uhren für Rechner, werden vielfach Quarze mit andersartigen Temperaturcharakteristiken (kubische Verlaufsformen) und höheren Frequenzen (4,19MHz) eingesetzt.

Während der relative Frequenzfehler des Uhrenquarzes (Restfehler) und der mittlere Temperatureinfluss in erster Näherung zeitunabhängig sind, ändert sich der Einfluss der Alterung auf die Gangfehler über die Zeit.

Innerhalb des 1. Betriebsjahres ist, nach den Spezifiktionen von Uhrenquarzherstellern, mit einer Änderung des relativen Zeitfehlers mit bis zu einer Rate von ca. ± 3,5 ppm/Jahr zu rechnen. Das bedeutet, dass bei der automatischen Gangfehlerkorrektur mit einem im wesentlichen zeitunabhängigen und mit einem zeitabhängigen Gangfehlereinfluss gerechnet werden muss. Hinzu kommt der Einfluss der Betriebstemperatur.

Die erfindungsgemäße automatische Gangfehlerkorrektur erfordert die Bestimmung des mittleren Gangfehlers der Uhr, der jeweils zwischen den Zeitpunkten der Synchronisationsvorgänge (Zeitrastersynchronisation) auftritt. Damit können die natürlichen Gangfehler des Uhrensystems ermittelt und automatisch kompensiert (korrigiert) werden.

Hierzu wird nach Beginn des Betriebs, beispielsweise bei der 1. Zeitrastersynchronisation in der 2. bis 6. Woche, der Gangfehler ermittelt und die erforderliche gegensinnige Korrektur der Zeittaktfrequenz über die Steuerung der Frequenzteilerkette des Zeittaktgebers (4; 4') bewirkt – in ähnlicher Art, wie dies bei der Kompensation des relativen Frequenzfehlers (Kalibrierung) des Quarzes bei der Uhrenproduktion erfolgt.

Die Korrekturdaten entsprechen dem relativen Zeitfehler, der aus dem Verhältnis der ermittelten Zeitabweichung zum Zeitabstand der zugeordneten Zeitrastersynchronisationen berechnet wird. Diese Daten werden gespeichert und die damit bewirkte Korrektur des Zeittakts für die nachfolgende Betriebszeit genutzt. Damit wird der gegebenenfalls vorhandene zeitunabhängige Gangfehler, der hauptsächlich in der Anfangsphase des Betriebs bestimmend ist, kompensiert.

In der nächsten Phase der Zeitrastersynchronisierung wird wiederum die entstandene Zeitabweichung (Anzeigefehler) ermittelt und der zugeordnete relative Zeitfehler berechnet. Die zugeordneten Korrekturdaten werden zu den bereits gespeicherten Korrekturdaten addiert und bilden in der Summe die Korrekturdaten für die Zeit bis zur nächsten Zeitrastersynchronisation. Dies wiederholt sich mit jedem neuen Vorgang der Zeitrastersynchronisation.

Auf diese Weise entsteht auf kumulative Art eine weitgehende Kompensation des Gangfehlers des Uhrensystems, bei der insbesondere der Alterungsprozess des relativen Frequenzfehlers des Uhrenquarzes berücksichtigt wird, was bei den bekannten Gebrauchsuhren, wegen des Fehlens einer kumulativen Gangfehlerkorrektur, nicht der Fall ist.

Bei dem Verfahren der automatischen Gangfehlerkorrektur ist zu beachten, dass Zeitfehler bei der Synchronisation, beispielsweise durch nicht zeitexakte Betätigung der Synchronisationstaste, bei der Berechnung des Gangfehlers die gleiche Auswirkung auf das Ergebnis haben wie eine Zeitabweichung selbst, die korrigiert werden soll.

Der Einfluss von Fehlern dieser Art sind jedoch umso geringer, je größer der Zeitabstand zwischen den Zeitrastersynchronisationen gewählt wird. Unter der Annahme, dass der Zeitfehler bei der Zeitrastersynchronisation ± 0,5s und der Zeitabstand zwischen den Zeitrastersynchronisationen 30 Tage beträgt, würde dies bei der Berechnung der Korrekturdaten einen Gangfehler von 6s/Jahr (±0,2 ppm) vortäuschen. Wegen der statistischen Verteilung solcher Fehler, dürfte dies praktisch vernachlässigbar sein.

Bei der Bestimmung des Gangfehlers ist ferner zu beachten, dass durch die Einfügung der Schaltsekunde in der WELTZEIT UTC (Universal Time Coordinated), die am 31. Dez. oder am 30. Juni eines Jahres erfolgen kann (nicht jedes Jahr!), die Bewertung eines Gangfehlers, wenn eine solche Einfügung erfolgt, fehlerhaft ist und damit auch die daraus berechnete Gangkorrektur. Der Algorithmus der Gangfehlerkorrektur sollte deshalb einen solchen Fall berücksichtigen.

Der größte Fehler, der durch eine Schaltsekunde bei der Bestimmung des Gangfehlers entstehen könnte, ergäbe sich für den Fall, dass eine Zeitrastersynchronisation am letzten Tag des Monats, in der die Schaltsekunde eingefügt wird, und die nächste Zeitrastersynchronisation beispielsweise 24 Stunden später, also nach der Schaltsekundeneinfügung erfolgt. Der dabei entstehende Fehler würde einen Gangfehler der Uhr von 1s/Tag oder 30s/Monat (11,6 ppm) vortäuschen.

Wäre dagegen der Zeitabstand der Zeitrastersynchronisation 1 Monat, und die Schaltsekunde würde in diesen Zeitbereich fallen, währe der vorgetäuschte Gangfehler nur ca. 1s/Monat (0,39 ppm). Solche Fehler können durch die nachfolgenden Synchronisationsvorgänge leicht korrigiert werden.

Eine weitergehende erfindungsgemäße Lösung dieses Problems besteht beispielsweise in der Festlegung, dass die Berechnung des Gangfehlers nur aus Daten erfolgen darf, deren zeitlicher Ursprung um eine bestimmte Zeit, beispielsweise 30 Tage, auseinander liegen.

Eine andere Möglichkeit den Einfluss der Schaltsekunde zu reduzieren, besteht in der Festlegung, in den Kaiendermonaten Januar und Juli keine Berechnung der Gangfehler durchzuführen.

Diese Möglichkeit erfordert jedoch das Bestehen einer Kalenderfunktion innerhalb des Uhrensystems, um dies Monate erkennen zu können.

Für die Zeiträume, in denen keine Berechnung der Gangfehler nach diesen Festlegungen erfolgt, kann trotzdem eine Zeitrastersynchronisation vorgenommen werden. In diesem Falle wird dann lediglich die jeweils aufgelaufene Zeitabweichung korrigiert, die Berechnung des Gangfehlers aber nicht aktiviert.

Eine andere erfindungsgemäße Festlegung für die Behandlung der Zeitrastersynchronisation besteht darin, dass jeweils die erste Zeitrastersynchronisation in den Monaten Januar und Juli nur für den Ausgleich der Zeitabweichung, jedoch nicht für die Berechnung der Gangfehlerkorrektur im Zusammenhang mit der vorangegangenen Zeitrastersynchronisation verwendet wird.

Eine spezielle Situation ergibt sich für den Fall, wenn Uhrennutzer Zeitrastersynchronisationen in kurzen Zeitabständen, beispielsweise wöchentlich oder gar täglich, durchführen, um "höchste" Ganggenauigkeit zu genießen (zu demonstrieren), wäre die erfindungsgemäße automatische Gangfehlerkorrektur für solche kurzen Synchronisationszeiträume nicht sinnvoll, u.U. sogar schädlich. Schädlich dann, wenn nach einer "Kurzeit-Zeitrastersynchronisationsphase" ein größerer Zeitabstand bis zur nächsten Zeitrastersynchronisation folgt. In diesem Falle würde der bei der letzten Kurzzeitsynchronisation ermittelte Gangfehler und dessen Korrektor, der aufgrund des kurzen Zeitabstandes (1 Tag), beispielsweise durch unexakte Zeitrastersynchronisation, sehr fehlerhaft sein kann, zu größeren Zeitabweichungen in der Folgephase bis zur nächsten Zeitrastersynchronisation führen.

Um solche Kurzeit-Zeitrastersynchronisationen trotzdem in die automatische Gangfehlerkorrektur einbeziehen zu können, wird als Erweiterung der Erfindung vorgeschlagen, die Zeitabweichungen über einen Zeitraum, beispielsweise über mindestens 30 Tage, zu addieren und aus der Summe der Zeitabweichungen und der zugeordneten Summe der Zeitabstände zwischen den Zeitrastersynchronisationen die Gangfehlerkorrektur zu berechnen. In der Praxis könnte dies in folgender Art ablaufen:

• Zum Zeitpunkt der letzten Gangfehlerkorrektur wird ein Tagezähler (T), der die Tage bis zur nächsten Gangfehlerkorrektur zählt, auf Null gesetzt und die Bestimmung der Gangfehlerkorrektur für nachfolgende Zeitrastersynchronisationen deaktiviert – die Korrektur der Zeitabweichungen bei getätigten Zeitrastersynchronisationen sind davon unberührt.
• Nach einer vorgegebenen Anzahl von Tagen, beispielsweise 30 Tage, wird die Bestimmung der Gangfehlerkorrektur für die nächste Zeitrastersynchronisation wieder aktiviert und nach erfolgter Gangfehlerkorrektur der Tagezähler über das Rücksetzsignal (9d) wieder auf Null gesetzt.
• Die Zeitabweichungen (Δt_R), die im Zeitraum der deaktivierten Bestimmung der Gangfehlerkorrektur, gegebenenfalls durch zwischenzeitlich erfolgte Zeitrastersynchronisationen auftreten, werden in einem Speicher (Zeitabweichung) summiert.
• Die Berechnung der Gangfehlerkorrekturdaten (K_m) erfolgt mit den Daten des Speicherinhalts für die Zeitabweichung (Σ(Δt_R)), den Daten des Tagezählers (T) und der Zeit bis zur nächsten Zeitrastersynchronisation nach folgender Beziehung: Km = Σ(ΔX)/TX mit T_X = T + Zeit bis zur nächsten Zeitrastersynchronisation.

Damit werden Zeitfehler durch unexakte Zeitrastersynchronisationen innerhalb des Zeitraums T_X der deaktivierten Gangfehlerkorrektur statistisch ausgeglichen und damit eine höhere Genauigkeit der Gangfehlerkorrektur erreicht.

Die in diesem Zeitraum durch die Zeitrastersynchronisationen ermittelten Zeitabweichungen und deren Korrekturen werden davon nicht berührt. Auf diese Weise ist es möglich – über die Häufigkeit von Zeitrastersynchronisationen – hohe Ganggenauigkeit zu "erzwingen", ohne die Gangfehlerkorrektur zu beeinträchtigen. Bei Anwendung dieses Verfahrens, mit Zeitabständen von beispielsweise mehr als 30 Tagen zwischen den Gangfehlerkorrekturen, ist auch eine besondere Berücksichtigung von Schaltsekundeneinfügungen für die Praxis nicht mehr nötig.

Die erfindungsgemäße Erweiterung der Erfindung durch die automatische Gangfehlerkorrektur bewirkt, dass

a) die relativen Zeitfehler, die zu Beginn des Uhrenbetriebs, bereits mit der 1. Gangfehlerermittlung kompensiert werden können,
b) die über die Betriebszeit sich ergebende Änderungen der relativen Zeitfehler (durch Alterung des Schwingquarzes) in die kumulative Gangfehlerkorrektur einbezogen werden,
c) die Anzahl der notwendigen Zeitrastersynchronisationen/Jahr stark gesenkt werden kann,
d) die Nutzung des 1-Minutenrasters besonders unterstützt,
e) die Genauigkeitsgarantie hinsichtlich der maximalen Gangfehler der Uhr im Vergleich zu normalen Quarzuhren beträchtlich gesenkt werden kann,
f) die Ganggenauigkeit der Uhr, im Gegensatz zu normalen Quarzuhren, mit zunehmender Betriebsdauer (über Jahre) sich erhöht,
g) der Einfluss der Temperatur auf den relativen Frequenzfehler des Uhrenquarzes durch die kumulative Art der Fehlerkorrektur erfasst und zum großen Teil kompensiert wird und
h) die Spezifikationen des Uhrenquarzes, hinsichtlich der Grundgenauigkeit und der Alterungsrate, deutlich entschärft werden können.

Die Zuführung des Synchronisationsbefehls (13) kann auf verschiedene Weise von einer "Synchronisationsquelle" zum Uhrensystem erfolgen, beispielsweise

a) mechanisch (über Taste/Krone) oder/und,
b) elektromagnetisch oder/und
c) optisch (Infrarot-Verbindung).

Als Synchronisationsquelle für die mechanische Zuführung (a) ist in erster Linie der Mensch (Uhrennutzer) zu sehen. Für die elektromagnetische Zuführung (b) könne, ähnlich wie bei Funkuhren, als Synchronisationsquelle ein Zeitzeichensignal von einem Zeitzeichensender dienen.

Wird als Synchronisationsquelle ein PC/PDA eingesetzt, kann beispielsweise über eine Bluetooth-Verbindung (b) oder über eine optische Verbindung (c) (Infrarot-Link) der Synchronisationsbefehl vom PC/PDA auf das Uhrensystem übertragen werden.

In einer erfindungsgemäßen Ergänzung erfolgt die Generierung der Synchronisationsbefehle aus dem Zeitzeichensignal für Funkuhren. Hierbei wird das im Zeittelegramm enthaltene Minutenzeichen als Synchronisationsbefehl direkt oder indirekt benutzt.

Im folgendem werden anhand von Zeichnungen die Erfindung ergänzend erläutert.
Es zeigen die Figuren:
1 einen Überblick der Funktionen einer erfindungsgemäßen elektronischen Uhr.
1a das Prinzip der Taktbeeinflussung für die Korrektur der Zeitabweichung für die in 1 beschriebene Konzeption.
2 ein Funktionsbeispiel einer erfindungsgemäßen elektronischen Uhr mit der Nutzung von 2 unabhängigen Zeitraster, einer schnellen Zeitkorrektur und einer schnellen Zeitzonen- und DST-Umschaltung.
2a das Prinzip der Taktbeeinflussung für die Korrektur der Zeitabweichung, Zeitzonen- und DST-Umschaltung, für das in der 2 beschriebene Funktionsbeispiel.
3 die Wirkung der automatischen Gangkontrolle auf die Ganggenauigkeit.
Die 1 zeigt einen Überblick über den Aufbau, die wesentliche Funktionsweise und die Bedienung einer erfindungsgemäßen elektronischen Uhr 1.
Die Funktionseinheit 2 (Zeitanzeigeeinheit) beinhaltet die bekannten Bausteine, die zur Anzeige der Zeit (digital oder/und analog) und gegebenenfalls, je nach Ausstattung der Uhr, zur Anzeige der Kalenderdaten und verschiedener anderer Daten erforderlich sind.
Die Steuerbefehle 1g für die bekannten Einstellungen für den Start/Neustart der Uhr, wie die Zeit, gegebenenfalls auch Kalenderdaten, die Zeitzonenwahl und die DST-Umschaltung, erfolgt, hier symbolisch dargestellt, über die Steuereinheit 16, die über die Verbindung 17 die entsprechenden Befehle zur Zeitanzeigeeinheit 2 übermittelt. Für die elektronisch zu bewirkenden Einstellungen, wird der Kontrolleinheit 16 ein Zeittakt 18 zugeführt.
Der für die Zeitanzeigefunktion erforderliche Zeittakt 3 wird dem Zeittaktgeber 4 entnommen. Der Zeittaktgeber 4 beinhaltet u.a. einen Oszillator (Quarzoszillator) mit nachgeschalteter Frequenzteilerkette.
Über die Signale 5 und 6 wird der Zeittaktgeber 4 gesteuert. Mit dem Signal 5 werden dem Zeittakt 3 erfindungsgemäß zusätzliche Zeittakte hinzugefügt oder Zeittakte unterdrückt. Über diese Steuerung wird die Zeitabweichung Δt_R der Uhr korrigiert.
Mit dem Signal 6 wird die mittlere Zeittaktrate des Zeittaktes 3 beeinflusst und damit die Gangfehler der Uhr korrigiert.
In der Funktionseinheit 7 wird über einen synchronisierbaren zyklischen Zeittaktzähler t_R die jeweils seit der letzten Zeitrastersynchronisation entstandene Zeitabweichung Δt_R ermittelt und in der Speichereinheit 8 abgelegt. Der Speicherinhalt Δt_R bewirkt über das Signal 5 die Korrektur des Zeittaktes 3 über den Zeittaktgeber 4.
In der Funktionseinheit 9 wird über eine vorgegebene Mindestzeitspanne T, beispielsweise 30 Tage, plus der Zeitdifferenz bis zum nächsten Synchronisationsbefehl 13 die Summe der Zeitabweichungen Δt_R gebildet und diese durch die Zeitspanne T_X (T_X = T + der Zeit bis zur nächsten Zeitrastersynchronisation) dividiert. Die Zeitspanne T wird aus dem der Funktionseinheit 9 zugeführten Zeittakt 14 abgeleitet. Das gespeicherte Ergebnis ΣΔt_R/T_X entspricht der relativen Zeitabweichung (ppm) für die Zeitspanne T_X.
Die Kumulierung dieser Daten erfolgt in der Funktionseinheit 11 mit dem Ergebnis Σ(ΣΔt_R/T_X), aus dem das Steuersignal 6 für die Korrektur des mittleren Zeittakts des Zeittaktgebers 4 in Verbindung mit dem zugeführten Zeittakt 14 gebildet wird. Aus dem Zeittakt 14 wird für die Funktionseinheit 11 ein bestimmter Zeittakt generiert, beispielsweise ein Minutentakt, in dessen Takt die Frequenzteilerkette im Zeittaktgeber 4 für eine bestimmte Zeit unterbrochen wird. Die Dauer der Unterbrechung wird vom Ergebnis Σ(ΣΔt_R/T_X) bestimmt.
Um sowohl negative als auch positive Korrekturen darstellen zu können, muss bereits ohne Korrektursignal eine mittlere Unterbrechungsrate im Zeittaktgeber 4 so vorgegeben sein, dass für den ganzen zu erwarteten Bereich des Ergebnises Σ(ΣΔt_R/T_X) die Funktion der Korrektur ermöglicht wird.
Die Größenordnung des Bereiches wird von den zu erwartenden relativen Zeitfehlern beim Start-/Neustart und dem Alterungs-und Temperatureinfluss bestimmt. Um diese mittlere Unterbrechungsrate für die Gangfehlerkorrektur muss die zugeführte Taktfrequenz entsprechend höher sein.
Die Steuerung des Uhrensystems 1 erfolgt über die Steuerbefehle 19 und die Synchronisationsbefehle 12 und 13, die von außen zugeführt werden.
Die Steuerbefehle 19 betreffen die bekannten Start-/Neustareinstellungen. Diese Einstellungen werden in der Steuereinheit 16 in entsprechende Signale 17 zur Steuerung der Zeitanzeigeeinheit 2 umgesetzt.
Der Synchronisationsbefehl 12 wird bei einem Start/Neustart der Uhr in Übereinstimmung mit der Ortszeit 15 ausgelöst, wobei der Zeitpunkt der Auslösung in dem vorgegebenem Zeitraster, jeweils zu dessen vollen Minute, erfolgen muss.
Die Synchronisationsbefehle 113 bewirken die Korrekturen der Zeitabweichungen und die Korrekturen der Gangfehler, wobei die Zeitpunkte der Auslösung der Synchronisationsbefehle 13 ebenfalls in dem vorgegebenen Zeitraster, jeweils zur vollen Minute, erfolgen muss.
Mit jedem Synchronisationsbefehl 13 wird in der Funktionseinheit 7 eine zyklische Zählung der aus dem Zeittaktgeber 4 stammende Zeittakte 14 gestartet und beim nächsten Synchronisationsbefehl 13 das Zählergebnis ausgewertet. Der Zählzyklus entspricht hierbei genau dem vorgegebenen Zeitraster.
Die Auflösung der Zeitbestimmung wird durch die Taktrate des Zeittaktes 14 festgelegt, die beispielsweise 32Hz beträgt.
Bei der Bestimmung der Zeitabweichung wird davon ausgegangen, dass ein "Vorgehen" der Uhr dann vor liegt, wenn das Zählergebnis kleiner ist als die halbe Zeitrasterbreite und ein "Nachgehen" der Uhr vorliegt, wenn das Zählergebnis größer ist als die halbe Zeitrasterbreite, beispielsweise >30s bei einer Zeitrastervorgabe von 1 Minute.
Für die bekannte Kalibrierung der Ganggenauigkeit nach dem Fertigungsprozess der Uhr, ist die Funktionseinheit 21 zuständig, die über den Signalweg 22 den Frequenzteiler der Zeittakteinheit 4 steuert.
Die 1a zeigt ein mögliches Beispiel, wie der Zeittakt 3 zur Zeitkorrektur innerhalb der Zeittakteinheit 4 beeinflusst werden kann. Dies erfolgt in der Steuereinheit 4h mittels Umschaltung der Taktfrequenz und Unterbrechung der Zeittakte – symbolisch angedeutet über die Steuerung des Schalters 4hb durch das Steuersignal 5.
Die Taktfrequenzen 4f und 4g stammen aus den vorgeschalteten Frequenzteilern der Zeittakteinheit 4, wobei die Frequenz des Zeittaktes 4f größer sein muss als die des Zeittaktes 4g, beispielsweise um den Faktor 2.
Ohne Zuführung des Steuersignals 5 wird der Zeittakt 4g genutzt, indem die Taktfrequenz mittels des Frequenzteilers 4ha auf die nominale Taktrate des Ausgangssignals 3 heruntergeteilt wird, im allgemeinen auf 1 Hz.
Für den Fall einer positiven Zeitabweichung, bewirkt das Steuersignal 5 eine Unterbrechung des Zeittaktes. Im Falle einer negativen Zeitabweichung, wird der Frequenzteiler 4ha auf den höherfrequenten Zeittakt 4f umgeschaltet. Die erforderliche Zeitlänge der Umschaltung, bzw. der Unterbrechung für die korrekte Zeitkorrektur, wird vom Steuersignal 5 und dieses wiederum vom jeweiligen Zeitfehler Δt_R bestimmt. Zusätzlich ist hierbei der Zeitbedarf der Zeitkorrektur selbst im Steuersignal zu berücksichtigen, um Korrekturfehler zu vermeiden.
Die maximale Zeitauflösung der Zeitkorrektur wird von der Taktrate des Zeittaktes 4g bestimmt. Bei einer Taktrate von beispielsweise 32 Hz, würde diese Zeitauflösung 1/32 = 31,25 ms betragen. Der Zeitbedarf einer Zeitkorrektur ist in diesem Falle etwa gleich der Größe des zu korrigierenden Zeitfehlers
Die 2 zeigt in detaillierterer Form die Funktionszusammenhänge einer erfindungsgemäßen elektronischen Uhr. Die darin verwendeten Bezugszeichen der Funktionseinheiten und Signalzuführungen entsprechen denen aus der 1 mit gleicher Funktion.
Gegenüber den in der 1 dargestellten Funktionen, wird in der 2 eine erweiterter Funktionsumfang dargestellt. Diese Erweiterung besteht darin, dass statt einem einzigen vorgegebenen Zeitraster, zwei unterschiedliche Zeitraster vorgesehen sind. Weiterhin wird im Zusammenhang mit der Beschreibung der 2a eine Erweiterung des Funktionsumfanges angegeben, mit der der Zeitbedarf für die Zeitkorrektur stark reduziert werden kann.
Für die folgende Beschreibung der Funktionen wird ein erstes Zeitraster mit 1 Minute und ein zweites Zeitraster mit 5 Minuten angenommen. Außerdem ist bei dem vorliegenden Beispiel ein Uhrensystem mit analoger Zeitanzeige angenommen, welches über einen Schrittschaltmoter angetrieben wird.
Die Unterschiede der Funktionszusammenhänge, gegenüber denen in der 1 beschriebenen, bestehen hauptsächlich in der Funktionseinheit 7' gegenüber der Funktionseinheit 7, in der Ausstattung des Zeittaktgebers 4' sowie in einer Erweiterung 20 innerhalb des Signalweges für die Übertragung des Synchronisationsbefehls 13'.
Die Erweiterung 20 betrifft eine Vorrichtung zur Anpassung des Uhrensystems an unterschiedliche Zuführungsformen von Synchronisationsbefehlen 13', die außer manuell (Knopfdruck), über PC oder über hochfrequente Zeitzeichensignale verfügbar sein können, und deren Nutzung eine entsprechende Erweiterung (20) für den Empfang, die Auswertung solcher Signale und die Umsetzung des Synchronisationsbefehls 13' in das Format des Synchronisationsbefehls (13) erfordert.
Die Funktionseinheit 7' enthält 4 Zeitrasterzähler 7'a, 7'b, 7'c und 7'd, sowie eine Steuereinheit 7'e, die die Zeitrasterzähler bezüglich Start, Stopp, Auswertung der Zählerstände und Datenübertrag zum Speicher 8 steuert. Die Zeitrasterzähler 7'a und 7'b sind hierbei dem 1-Minutenzeitraster und die Zeitrasterzähler 7'c und 7'd dem 5-Minutenzeitraster zugeordnet.
Welches Zeitraster für die Synchronisierungsbefehle 13 genutzt werden soll, kann für jeden Synchronisierungsbefehl 13 neu vorgegeben werden, indem jedem Zeitraster beispielsweise eine separate Eingabetaste zugeordnet wird oder indem die zeitliche Länge des Synchronisationsbefehls (Tastendruck) dem Zeitraster zugeordnet wird, beispielsweise <1 Sekunde für das 1-Minutenraster und >1 Sekunde für das 5-Minutenraster.
Im vorgegebenen Beispiel ist die Methode der Zeitcodierung vorgesehen, bei der die Synchronisation mit dem Beginn des Synchronisierungsbefehls für beide Zeitraster- eingeleitet wird.
Die Erkennung der Zeitrasterwahl erfolgt in der Impulsanalyseeinheit 7'f durch die Analyse der Zeitlänge (Impulslänge) des Synchronisationsbefehls 13. Das Ergebnis der Impulsanalyse steuert die Datenübernahme der Zeitabweichungen aus den, dem gewählten Zeitraster zugeordneten Zeittaktzählern in den Speicher der Speichereinheit 8. Bestehende Daten im Speicher werden dabei überschrieben.
Über die Datenverbindung 5a wird das jeweilige Ergebnis der Zeitabweichung Δt_R an die Korrektureinheit 4'h für die Korrektur der Zeitabweichungen und über die Datenverbindung 5b an die Summiereinheit 9a übertragen und dort summiert. Das Ergebnis ΣΔt_R wird im Rechenwerk 9c durch die Zeit T_X (T_X = T + der Zeitdifferenz bis zum nächsten Synchronisationsbefehl) dividiert und im Baustein 11 zu den bereits bestehenden Werten kumuliert. Das Ergebnis Σ(ΣΔt_R/T_X) entspricht dem Korrekturwert (ppm-Wert) für die Gangfehlerkorrektur für den jeweils folgenden Zeitbereich und wird zur Steuerung der Taktrate dem Baustein 4'h des Zeittaktgebers 4' über die Verbindung 6 zur Gangfehlerkorrektur zugeführt.
Die Zeittaktkorrektur im Baustein 4'c erfolgt durch zeitweise Unterbrechung des Zeittaktes in einer vorgegebenen Zeitfolge von beispielsweise 1 Minute, die aus dem Zeittakt 14 abgeleitet wird.
Bei diesem bekannten Verfahren der Gangfehlerkorrektur ist Voraussetzung, dass die vom Frequenzteiler 4'b der Steuereinheit 4'c zugeführte Taktfrequenz entsprechend dem Gangfehler-Korrekturbereich höher ist als der "Nominalwert" ohne Gangfehlerkorrektur.
Die Zeitspanne T wird im Zähler 9b aus dem Zeittakt 14. abgeleitet und muss einen vorgegebenen Mindestwert T_min aufweisen, bevor mit dem nächsten Synchronisationsbefehl die Division durch T_X erfolgt. Nach der Division und Übertragung der Daten zum Baustein 11, wird der Zähler 9b und das Rechenwerk 9c zur Vorbereitung auf die nächste Zeitspanne T_X zurückgesetzt.
Bei Start/Neustart des Uhrensystems wird der Steuereinheit 7'e der Synchronisierungsbefehl 12 zugeführt, wodurch zunächst der Zeitrasterzähler 7'a des 1-Minutenzeitrasters gestartet wird. Dies kann beispielsweise zu jeder beliebigen vollen Minute erfolgen. Anschließend erfolgt automatisch der Start des Zeitrasterzählers 7'c des 5-Minutenrasters, und zwar unter der Zusatzbedingung, dass die Auslösung des Starts erst dann erfolgt, wenn die Korrektur der Zeitabweichung Δt_R erfolgt ist und die 2. Ziffer der Minutenanzeige der Zeitanzeigeeinheit 2' auf die Ziffer 0 oder 5 springt, was über das Signal 10 der Steuereinheit 7'e mitgeteilt wird.
Bei Zuführung des ersten Synchronisierungsbefehls 13 werden die Zeitrasterzähler 7'a des 1-Minutenrasters und der Zeitrasterzähler 7'c des 5-Minutenrasters gestoppt und der Inhalt des jeweils dem ausgewählten Zeitraster zugeordneten Zeitrasterzählers ausgelesen, ausgewertet und als Zeitabweichung Δt_R in den Speicher 8 übertragen. Gleichzeitig werden die Zeittaktzähler 7'b des 1- Minutenrasters und der Zeittaktzähler 7'd des 5-Minutenrasters gestartet, wobei für den Start des Zeittaktzählers 7'd des 5-Minutenrasters die Zusatzbedingung: Abgeschlossene Korrektur der Zeitabweichung Δt_R und Zeitanzeige im 5- Minutenraster, erfüllt sein muss.
Dieses Verfahren wird wechselweise auf die 2 Zeitrasterzähler-Paare angewendet, d.h. die Zeitrasterzähler werden abwechselnd gestartet und gestoppt. Auf diese Weise werden immer jeweils 1 Zeitrasterzähler für jedes Zeitraster bei jedem zugeordneten Synchronisationsbefehl auf das jeweilige Zeitraster synchronisiere.
Die auftretende Zeitverzögerung für den. Start des größeren Zeitrasters verursacht grundsätzlich eine geringe Zeitabweichung, da die Zeitverzögerung nicht in die Zeitabweichung einbezogen wird. Der dadurch bedingte Fehler für die Zeitkorrekturen ist jedoch für den praktischen Betrieb vernachlässigbar. Für eine angenommene Zeitdifferenz von 5 Minuten, die im Falle des 5-Minutenrasters maximal auftreten könnte, würde sich bei einem Auswertezeitraum T_X von beispielsweise 30 Tagen in der Bestimmung von Δt_R ein Fehler von 5 Minuten/30Tage = –0,01 % ergeben.
2a beschreibt die Funktionsweise einer schnellen Zeitkorrektur innerhalb der Zeitkorrektureinheit 4'h des Zeittaktgebers 4'.
Der zugeführte Zeittakt 4'g stammt aus dem vorgeschalteten Frequenzteiler 4'e des Zeittaktgebers 4' und beträgt beispielsweise 32 Hz. Ohne Zuführung eines Steuersignals 5a wird der Zeittakt 4'g unverändert dem Frequenzteiler 4'ha mit dem Teilerfaktor n₄ zugeführt, durch die Frequenzteilung auf die nominale Taktfrequenz 1Hz heruntergeteilt und als Zeittaktsignal 3a der nachgeschalteten Zeitanzeigeeinheit 2' zugeführt. Dieses Zeittaktsignal steuert das Uhrensystem in der üblich bekannten Weise.
Für die Korrektur einer positiven Zeitabweichung wird vom Steuersignal 5ac eine der Zeitabweichung äquivalente Taktzahl der Additionseinheit 4'hd zugeführt, welches als zusätzliches Taktsignal im Zeittaktsignal 3b wirksam wird. In der Zeitanzeigeeinheit 2' bewirkt dieses Signal eine Bewegung der Zeitanzeige (in Sekunden) gegen den Uhrzeigersinn, bis der Zeitfehler in Sekunden ausgeglichen ist. Dies erfordert jedoch eine entsprechende Einrichtung in der Zeitanzeigeeinheit 2', wie sie im Zusammenhang mit der Nutzung anderer Funktionen bekannt sind.
Für die Korrektur einer negativen Zeitabweichung wird vom Steuersignal 5aa eine der Zeitabweichung äquivalente Taktzahl der Additionseinheit 4'hc und damit dem Zeittaktsignal 3a hinzugefügt. Damit wird die Zeitabweichung bezüglich der Sekunden im Uhrzeigersinne korrigiert.
Bei dieser Methode ist es möglich, die Zuführung der zusätzlichen Zeittakte für die Korrektur der Sekundenfehler mit größerer Taktfrequenz, beispielsweise mit 64 Hz, auszuführen. Entsprechend reduziert sich der Zeitbedarf für die Zeitkorrekturen.
Voraussetzung für dieses Verfahren ist eine kleine Impulsdauer des nominalen Zeittaktsignals, welches der Additionseinheit 4'hc zugeführt wird. Diese Impulsdauer muss zeitlich so klein sein muss, dass die zu addierenden Takte innerhalb des Zeitbereichs bis zum nächsten Nominalen Zeittakt als zusätzliche Impulse im Zeittaktsignal 3a darstellbar sind. Alternativ kann auch eine entsprechende Impulsformung des Zeittaktes im Frequenzteiler 4'ha in der Additionseinheit 4'hc selbst erfolgen.
Für die Korrekturen der Zeitabweichung unter 1 Sekunde, wird vom Steuersignal 5ab eine der Zeitabweichung äquivalente Taktzahl der Additionseinheit 4'hb zugeführt, wobei bei jedem zusätzlichen zugeführten Takt nur der Bruchteil einer Sekunde, entsprechend dem Teilerfaktor (n₄) des Frequenzteilers 4'ha, im Zeittaktsignal 3a wirksam wird.
Die Steuersignale 5aa und 5ac entsprechen den jeweiligen Zeitabweichungen in Sekunden, d.h. jeder Takt dieser Signale entspricht einer Sekunde. Jeder Takt des Steuersignals 5ab entspricht einer Zeitänderung von 1s/n₄.
Wird eine Korrekturgenauigkeit von besser 1s nicht gefordert, kann auf die Additionseinheit 4'hb und auf die Zuführung des zugeordneten Steuersignals 5ab verzichtet werden.
Die Höhe der Taktfrequenz der zugeführten Signale für die Zeitkorrektur wird prinzipiell nur durch die Zuverlässigkeit der Zeigerbewegung (elektromechanisch) begrenzt. Bei einer denkbaren maximal zulässigen Taktfrequenz von 2⁷ = 128 Hz, könnte dann ein Zeitfehler von ca. 128 s in einer Zeitspanne von 1s korrigiert werden.
Die Steuereinheit 4'hd dient aber auch der Realisierung einer schnellen Zeigerbewegung,

a) für die Rasterzeitschritte bei der Einstellung der Startzeit für die Vorbereitung der Startsynchronisation,
b) für die DST-Umschaltung und
c) für die Zeitzoneneinstellung.

Ähnlich wie bei der Korrektur der Zeitabweichung, werden diese Funktionen durch Zusatztakte über die Summiereinheiten 4'hc und 4'hd realisiert, wobei die für die zusätzlichen Zeigerbewegungen erforderliche Zeittakte von der Steuereinheit 4'hd geliefert werden. Für die Bewegung im gegen Uhrzeigersinn werden die Zeittakte der Summiereinheit 4'hd und für die Bewegung im Uhrzeigersinn der Summiereinheit 4'hc in bestimmten Zeittaktpaketen zugeführt. Die Zeittaktpakete sind, einschließlich des nominalen Zeittaktes, je eine Sekunde lang und beinhalten eine bestimmte Anzahl von Zeittakten innerhalb des Sekundentakts.
So wird beispielsweise für ein Zeitrasterschritt von 5 Minuten, bei einer Taktfrequenz von 64 Hz, dies durch 5 Zeittaktpakete zu je 60 zusätzlichen Zeittakte erreicht. Die dafür erforderliche Korrekturzeit beträgt dann 5s. Bei einer Taktfrequenz von 128 Hz und 100 zusätzliche Zeittakte pro Sekunde, werden 3 Pakete benötigt. Die dafür erforderliche Korrekturzeit beträgt in diesem Falle 3s.
Für eine DST-Umschaltung (1 Stunde) wären bei einer Taktfrequenz von 64Hz 60 Zeittaktpakete zu je 60 zusätzlichen Zeitakte erforderlich, die einer Korrekturzeit von 60s entsprechen. Bei einer Taktfrequenz von 128 Hz und 100 zusätzlichen Zeittakte pro Paket, würde eine DST-Umschaltung 36s benötigen. Die dazu erforderliche Taktfrequenz (4'i) kann aus dem Zeittaktgeber entnommen werden.
Für Zeitzonenumstellungen von >1 Stunde sind entsprechend größere Korrekturzeiten erforderlich.
Die Zeittaktpakete werden vom Ausgangssignal des Frequenzteilers über die Verbindung 4'j zur Steuereinheit 4'hd gestartet. Die Anzahl der Zeittakte pro Paket, die Anzahl der Pakte und die Zuordnung zur Bewegungsrichtung erfolgt in der Steuereinheit 4'hd in Verbindung mit dem Steuersignal 17'.
Bei dem beschriebenen Korrekturverfahren wird der normale Zeittakt für die Uhr aufrechterhalten. Dadurch muss die Korrekturzeit nicht nochmals gesondert berücksichtigt werden. Dies bedeutet, dass zu jeder beliebigen Zeitanzeige, die manuelle DST-Umschaltung ausgelöst werden kann, ohne die Genauigkeit der Zeitanzeige zu beeinträchtigen.
3 beschreibt die Wirkung der automatischen Gangfehlerkorrektur auf die Ganggenauigkeit, wie sie sich aus der Simulation der Funktion der Gangfehlerkorrektur unter bestimmten Bedingungen ergibt.
Die Kurve a beschreibt den angenommenen Verlauft des relativen Frequenzfehlers des Taktoszillators ohne Korrektur in ppm über der Zeit in Jahren. Der dabei angenommene Anfangsfehler beim Start beträgt –2ppm und die Alterungsrate –3,5 ppm im 1. Jahr. Die Kurve b stellt den Korrekturwert dar, der sich bei einem 30tägigem Zyklus der Zeitrastersynchronisation ergibt. Die Kurve c zeigt den korrigierten relativen Frequenzfehler des Systems über der Zeit.
Die Kurve e stellt die Zeitabweichung in Sekunden dar, die sich aus den Daten nach der Kurve c ergeben würde.
Der Einfluss einer angenommenen Schaltsekundeneinfügung sind durch die Verlaufsabweichungen d dargestellt. Die Schaltsekundeneinfügung wurde hierbei jeweils zum Ende des Jahres (31.12.) angenommen, wie dies in Kurve e erkennbar ist. Die Erkennung der Schaltsekundeneinfügung erfolgte nach Kurve b und c aber erst nach der Zuführung des Synchronisationsbefehls im Januar (13. Synchronisationsbefehl), woraus die Zeitverschiebung (13·30Tage – 365Tage = 25Tage) zwischen den Kurven e und b, bzw. c zustande kommt.
Aus der Kurve c ist zu erkennen, dass die Schaltsekundeneinfügung einen Korrekturfehler verursacht, der eine negativ ansteigende Zeitabweichung nach dem 13. Synchronisationsbefehl bewirkt und dieser Fehler erst wieder nach der Zuführung des nächsten Synchronisationsbefehls behoben wird. Solche Fehler können durch die beschriebenen erfindungsgemäßen Maßnahmen vermieden werden.
In der Beschreibung wurden die Funktionszusammenhänge an Wand des dezimalen Zahlensystems erläutert. Für die Realisierung der Funktionszusammenhänge werden, was die Datenverarbeitung und Datenspeicherung anlangt, im allgemeinen das binäre Zahlenformat verwendet.
Im folgenden sollen nochmals die Vorteile der Erfindung, in Bezug zu den bekannten gebräuchlichen Quarzuhren, zusammengefasst werden. Sie bestehen darin, dass zur Zeitkontrolle (Anzeigekorrektur)

• kein Stoppen der Uhr und keine manuelle, vorbereitende Einstellung der Zeitanzeige an der Uhr erforderlich ist,
• kein Zeitzeichensignal benötigt wird, aber im Falle einer erfindungsgemäßen Nutzung des Zeitzeichensignals in einer Funkuhr deren Eigenschaften hinsichtlich Ganggenauigkeit erweitert,
• die Zeitsynchronisation auf bequeme und schnelle Weise durchführbar ist, ohne den Uhrennutzer zu überfordern – eher motiviert wird,
• die maximal auftretenden Gangfehler über die gesamte Betriebszeit stark reduziert werden können,
• der Zusatzstrombedarf für die Zeitkontrolle (gegenüber Funkuhren) gering ist,
• keine konstruktiven Einschränkungen für das Design der Uhr (verwendbares Material, Platzbedarf, Funktionszuverlässigkeit) bestehen,
• bei eingerichteter automatischer DST-Umschaltung eine "absolute" Zuverlässigkeit erreicht wird,
• auf eine große Uhrenpalette verschiedener Art für weltweite Märkte anwendbar ist und
• die Realisierbarkeit unter Anwendung herkömmlicher Technologien und IC-Designs, kostengünstig möglich ist.

Liste der Bezugszeichen

Claims

Verfahren zur manuellen Zeitkontrolle einer elektronischen Uhr, insbesondere einer Armbanduhr, mit: – einer analogen oder/und einer digitalen Zeitanzeigeeinheit (2) zur Zeitanzeige, – Bedienelementen zur Start-/Neustarteinstellung, zur Zeitumstellung, wie Daylight Saving Time-Umschaltung und Zeitzonenumschaltung, und zur Synchronisation (Zeitrastersynchronisation) eines vorgegebenen Zeitrasters (Zeitrastergröße) der Zeitanzeige mit dem entsprechenden Zeitraster einer externen Referenzzeit, – einer Zeitrastereinheit (7) zur Bestimmung von durch Gangfehler bedingten Zeitabweichungen (Δt_R) zwischen dem Zeitraster der Zeitanzeige und dem Zeitraster der externen Referenzzeit, – einem Zeittaktgeber (4), aus dem die Taktung der Zeitanzeigeeinheit (2) und der Zeitrastereinheit (7) abgeleitet wird, bei der: – die Start-/Neustarteinstellung und die Zeitumstellung mechanisch oder in elektronisch ausgeführten Zeitschritten mittels manueller Steuerbefehle (19) erfolgt, – eine Synchronisation der Zeitrastereinheit (7) mit dem vorgegebenen Zeitraster der Zeitanzeige während oder vor oder nach der Start-/Neustarteinstellung mittels eines über ein Bedienelement zugeführten Synchronisationsbefehls (12) ausgeführt wird, – die Bestimmung der Zeitabweichung (Δt_R) mittels der Zeitrastereinheit (7) mit der Methode der zyklischen Zählung der für die Zeitanzeigeeinheit (2) maßgebliche Zeittakte, beispielsweise mittels Zeittaktzähler, erfolgt, und die Zykluszeit der Zeittaktzählung gleich der vorgegebenen Zeitrastergröße ist, – die Zeitrastersynchronisation mittels Zuführung eines Synchronisationsbefehls (13) jeweils zu Beginn/zum Ende des vorgegebenen Zeitrasters der externen Referenzzeit ausgelöst wird, – die Zeitrastersynchronisation von Zeit zu Zeit, in der Regel mit unterschiedlichen Synchronisationszeitabständen, die das Vielfache der Zeitrastergröße betragen, beispielsweise in Zeitabständen von Wochen, Monaten oder nach Bedarf, erfolgt, – die Bestimmung und eine Korrektur der Zeitabweichung (Δt_R), die innerhalb des Synchronisationszeitabstandes entstanden ist, oder/und eine gegebenenfalls vorgesehene Ermittlung und Korrektur eines Gangfehlers durch die Zuführung des Synchronisationsbefehls (13) veranlasst wird, – die Korrektur der Zeitabweichung (Δt_R) durch Beeinflussung der der Zeitanzeigeeinheit (2) zugeführten Taktimpulse automatisch erfolgt, und – für den Fall einer Gangfehlerkorrektur, der Mittelwert der Taktfrequenz des Zeittaktgebers (4) in der Weise beeinflusst wird, dass der Gangfehler kompensiert oder reduziert wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeitrastereinheit (7) derartig ausgebildet ist, – dass mindestens zwei unterschiedliche Zeitrastergrößen zur Zeitrastersynchronisation ausgewählt werden können und – dass mindestens eine Zeitrastergröße die Bestimmung von Zeitabweichungen (Δt_R) von mehr als |±59s| erlaubt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeitrastergrößen derartig bemessen sind, dass Zeitrastersynchronisationen unabhängig von den Zeitzonen/Ortszeiten der Referenzzeit durchgeführt werden können.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass 2 oder 3 Zeitrastergrößen vorgesehen sind, die durch eine Kombination der Zeitrastergrößen von 1 Minute, 5 Minuten und 15 Minuten gebildet werden.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Synchronisation der Zeitrastereinheit (7') mit den Zeitrastern der Zeitanzeige für alle Zeitrastergrößen mit der Synchronisation des größten Zeitrasters gemeinsam erfolgt, indem zum Zeitpunkt der Synchronisation die Zeittaktzählung für alle Zeitraster mit dem Startwert veranlasst wird, beispielsweise mit der Synchronisation des 15- Minutenzeitrasters zum Ende der 15. Minute, oder Ende der 30. Minute, oder Ende der 45. Minute, oder Ende einer vollen Stunde.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Zeitrastersynchronisation die Startzeiten der Zeittaktzähler aller Zeitrastergrößen zueinander synchron bleiben oder nach einer Zeitrastersynchronisation wieder hergestellt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswahl der Zeitrastergröße über die zeitliche Länge der Zuführung des Synchronisationsbefehls (13) automatisch erfolgt, indem über eine Analyseeinheit (7'f) die zeitliche Länge des Befehls auswertet wird und daraus die Zuordnung der Zeitrastergröße abgeleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronisch ausgeführten Zeitschritte für die Zeitumstellungen in Schrittweiten erfolgen, die dem größten Zeitraster oder dessen Vielfachen entsprechen, beispielsweise für Zeitzonenumschaltungen oder Daylight Saving Time-Umschaltungen in Schritten von 15 Minuten oder dessen Vielfachen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erhöhung der Zuverlässigkeit der Gangfehlerkorrektur für die in kurzen Synchronisationszeitabständen anfallenden Zeitrastersynchronisationen mit Korrektur der Zeitabweichungen, beispielsweise bei Synchronisationszeitabständen von kleiner 1 Monat, keine Berechnung der Korrekturdaten für die Gangfehlerkorrektur und deren Ausführung erfolgt, sondern die Bestimmung der Korrekturdaten für die Gangfehlerkorrektur und deren Durchführung in größeren Zeitabständen, beispielsweise mit einem Mindestabstand von einem oder mehreren Monaten, erfolgt, und dass, im Falle von in diesem Zeitraum erfolgten Zeitrastersynchronisationen, die Summe der ermittelten Zeitabweichungen (ΣΔt_R) zur Berechnung der Korrekturdaten für die Gangfehlerkorrektur verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die manuelle Daylight Saving Time-Umschaltung mit einem bekannten, vollautomatisch arbeitenden Verfahren für die Daylight Saving Time-Umschaltung, beispielsweise wie bei PC-Uhren üblich, kombiniert ist, und dieses Verfahren für relevante Zeitzonen aktiviert werden kann.