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Zeithaltendes Gerät, insbesondere Quarzarmbanduhr mit digitaler Phasenregelung
des Anzeigesystems Die Erfindung bezieht sich auf ein zeithaltendes Gerät, dessen
Anzeigesystem von einem elektro-mechanischen Wandler mit Eigenperiode angetrieben
wird, welche von dem zu diesem zeithaltenden Gerät gehörenden internen Frequenznormal
kontrolliert wird, so daß die Differenz zwischen der vom Anzeigesystem angezeigten
Zeit und der dem internen Frequenznormal zugeordneten Zeit innerhalb gewisser zulässiger
maximaler Grenzen bleibt.
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Bekannt sind Quarzarmbanduhren, die einen Schwingquarzoszillator in
Verbindung mit einem Frequenzteiler und ein direkt von den Ausgangsimpulsen des
Frequenzteilers gesteuertes elektromechanisches
Anzeigesystem enthalten
(vgl. Colloque International de Chronomtrie, Paris 1969; Montre-bracelet electronique
à quartz (B 242)).
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Besondere Nachteile bekannter Quarzuhrsysteme, insbesondere Quararmbanduhren,
bestehen darin, daß das mechanische Anzeigesystem solcher Uhren bei hoher Fortschaltsicherheit
eine relativ hohe Leistungsaufnahme hat, die nur herabgesetzt werden kann, wenn
eine größere Störempfindlichkeit zugelassen wird.
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Weiterhin ist bei den bisher bekannten Systemen, die mit direkt gesteuerten
Schrittschaltmotoren, direkt synchronisierten Schwingern und Motoren arbeiten, eine
Anordnung notwendig, die schon innerhalb einer einzigen Fortschaltperiode eventuelle
Fehler rückgängig machen muß. Bei solchen Systemen kann die Stoßempfindlichkeit,
z.B. bei sportlicher Betätigung zu einer bleibenden Standabweichung führen.
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Um diese Nachteile weitgehend zu beseitigen, mußten aufwendige Sonderkonstruktionen
für das Anzeige- und Fortschaltsystem vorgesehen werden, z.B. Schwingsysteme mit
hohem Energieinhalt, d.h. mit großer Amplitude und hoher Frequenz.
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Diese prinzipiellen Schwierigkeiten treten, wie Versuche und praktische
Ergebnisse an Gebrauchsquarzuhren, vor allem an Armbanduhren gezeigt haben, bei
allen bisher verwendeten elektromechanischen Antriebsarten für Anzeigesysteme auf,
seien es
Stimmgabel-, Blattfeder-, Unruh-Systeme, Synchronmotoren,
synchronisierte Motoren, synchronisierte Schwingungssysteme, Schrittschaltmotoren
oder elektromechanische Schrittschaltwerke.
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Man hat daher versucht, bei Schrittschaltwerken Sperrvorrichtungen
einzubauen, um eine Fortschaltung durch Störungen zu verhindern. Außer der Notwendigkeit
einer zusätzlichen Mechanik ha-4 ben auch diese Vorrichtungen den Nachteil der Störanfälligkeit.
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Durch Schüttelbewegungen und Drehstöße, wie sie bei raschen Handbewegungen,
beim Tennisspielen, beim Wettlauf, im Fahrzeug vorkommen können, erhält man bei
Uhren mit Unruhschwingungssystemen von 2,5 Hz Fehler, verursacht vor allem durch
das Prellen, entsprechend einer Standdifferenz innerhalb von 1 Minute von etwa +10
bis -5 Sekunden, bei einer 5 Hz-Uhr von etwa +2 bis -1 Sekunden. Deshalb läßt sich
auch eine Unruh üblicher Frequenz für Armbanduhren nicht mit der notwendigen Sicherheit
direkt synchronisieren. Entsprechendes gilt für die Verwendung von direkt synchronisierten
Gleichstrommotoren.
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Weiterhin sind mechanische Schaltvorrichtungen empfindlich gegen Translations-
und Drehstöße, was sich insbesondere bei Armbanduhren fatal auswirken kann, wo im
Gebrauch Beschleunigungen von -2 einigen 10 cm s 2 auftreten können.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein zeithaltendes Gerät,
insbesondere eine Quarzarmbanduhr zu schaffen, bei der zwar
kurzfristig
Standänderungen zugelassen werden, der langzeitige Stand jedoch korrigiert wird.
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Bei Gebrauchsuhren muß die Ablesung der momentanen Zeit höchstens
auf die Sekunde genau erfolgen, während der langzeitige Standfehler der Uhr möglichst
klein sein soll.
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Bei der Erfindung wird das störunempfindliche Frequenznormal in dieselbe
Uhreneinheit eingebaut und mit ihr der Stand des Anzeigesystems korrigiert. Der
Vorteil ist leicht ersichtlich.
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Selbst wenn das Anzeigesystem durch Störungen relativ große Standdifferenzen
erfährt, so werden langzeitige Standdifferenzen ausgeglichen.
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Auch wenn die gesamte Korrekturanordnung zu Regelschwingungen neigen
sollte, was besonders bei Antriebssystemen hoher Güte möglich ist, so können auch
diese Regelschwingungen hier - im Gegensatz zu konventionell synchronisierten Systemen
- nicht zu langzeitigen Standdifferenzen führen.
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Es können also ohne weiteres viele bereits in großen Stückzahlen gefertigte
Anzeigesysteme verwendet werden, die durch eine elektrisch gesteuerte Unruh, einen
Motor oder dergleichen angetrieben werden.
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Die Lösung der Aufgabe bei einer Anordnung der obengenannten Art besteht
darin, daß ein Regelkreis kombiniert aus folgenden Baugruppen verwendet wird: 1.
Ein Frequenznormal, das huber einen Frequenzteiler periodische Impulse erzeugt.
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2. Ein elektromechanischer Wandler als Antrieb des Anzeigewerks, der
eine gegenüber dem Frequenznormal ungenauere Eigenperiode hat, oder nicht störunempfindlich
ist und welcher ebenfalls periodische Impulse abgibt, die seine Phasenlage kennzeichnen.
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3. Eine digitale Meßanordnung zur Ermittlung der Differenz der Anzahl
von Wandler- und Normalimpulsen, und damit der Phasendifferenz zwischen der dem
Frequenznormal zugeordneten Phase einerseits und der Phasenlage des elektromechanischen
Wandlers andererseits.
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4. Ein Stellglied, das je nach Vorzeichen der gemessenen Phasendifferenz
verschiedene Ausgangssignale abgibt, die den elektromechanischen Wandler steuern,
so daß der Betrag der beschriebenen Phasendifferenz kleiner als ein maximal zugelassener
Wert bleibt, wobei dieser Maximalwert ein ganzzahliges Vielfaches des Winkels ist,
der dem Abstand zweier Impulse des elektromechanischen Wandlers entspricht und die
Phase des elektromechanischen Wandlers im zeitlichen Mittel die gleiche wie die
dem Frequenznormal zugeordnete Phase wird.
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Als Meßanordnung für die oben beschriebene Phasendifferenz kann vorteilhafterweise
eine digitale Zählanordnung verwendet werden, z.B. ein Vor-Rückwärts-Zähler, ein
Ring-Zähler, oder ein Schieberegister. Deren Vorteil gegenüber analogen Meßanordnungen
besteht darin, daß sie bereits in integrierter Technik auf dem Markt sind und in
kleinsten Abmessungen bei geringem Strombedarf und hoher Funktionssicherheit angeboten
werden.
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Ein weiterer Vorteil dieser digitalen Meßanordnung besteht darin,
daß durch Wahl einer passenden Auswertelogik in Kombination mit dem Stellglied in
einfacher Weise eine Optimierung des Regelverhaltens der Gesamtanordnung erzielt
werden kann.
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Dies kann insbesondere dadurch erreicht werden, daß das Stellglied
nur in Abhängigkeit vom Vorzeichen des Meßergebnisses gesteuert wird, oder daß zusätzlich
stufenweise der Betrag des Meßergebnisses proportional, , überproportional oder
in anderer Weise mit zur steuerung des Stellgliedes herangezogen wird, oder daß
ds Stellglied erst ab einem gewissen Mindestbetrag des Meßergebnisses in Abhangigkeit
von dessen Vorzeichen ge steuert wird9 wobei ferner noch die Möglichkeit besteht,an
den Bereichsgrenzen der Meßanordnung über das Stellglied den Antrieb des Anzeigesystems
sehr viel stärker als im Bereichsinneren zu beeinflussen, so daß die Einhaltung
der Bereichsgrenzen mit noch größerer Sicherhelt gewährleistet wird.
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Alle hier gezeigten Möglichkeiten können schaltungstechnisch rein
digital und mit geringem Aufwand realisiert werden, so daß auch hier die Vorteile
der Digitaltechnik zur Geltung kornmen.
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Ein besonderer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß
der Antrieb nicht nur gegenüber dem Frequenznormal mit wesentlich geringerer Genauigkeit
arbeitet, sondern sogar. wesentlich ungenauer arbeiten kann als bisher bekannte
Uhrenantriebe.
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Das bringt besondere wirtschaftliche Vorteile bei Verwendung von relativ
ungenauen Schwingungssystemen, z.B. von einer Blattfeder, einer unausgewuchteten
Unruh, von freilaufenden oder drehzahlstabilisierten Motoren.
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Eine besonders günstige Ausgestaltung der Erfindung ergibt sich aus
dem in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiel.
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Es zeigen Fig. 1: das Blockschaltbild einer quarzgesteuerten Armbanduhr
mit geringer Leistungsaufnahme.
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Fig. 2: die Ausführung von Auswertelogik,Stellglied und Antriebsschaltung.
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Fig. 3: 3a)- 3e): ein Beispiel für die zeitliche Folge von Impulsen
im quarzgesteuerten System bei äußeren Störungen des elektromechanischen Wandlers.
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Tabelle 3f): die Zuordnung zwischen der Differenz der Anzahl der
am Eingang des Zählers eingetroffenen Impulse und den Ausgängen des Zählers und
die entsprechende Steuerspannung Us.
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Wie Fig. 1 zeigt, steuert der interne Quarzoszillator (1) den Frequenzteiler
(2).
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Ein Vor-Rückwärts-Zähler (4), der am Eingang von den durch Impulsformer
(3)- und (10) umgeformten Ausgangsimpulsen des Teilers und den Motorimpulsen gesteuert
wird, liefert am Ausgang Dualwerte für die Zahlen 0 bis 15, die von einer Auswertelogik
mit Stellglied (5) erfaßt werden und die Antriebsschaltung (6) so beeinflussen,
daß die Drehzahl des Motors (7) geregelt wird, und damit das Anzeigewerk (8) im
Mittel dem Stand des Frequenznormals entspricht. Das gesamte Quarzuhrsystem wird
von der Batteriezelle (11) versorgt.
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Fig. 2 zeigt die Ausführung von Auswertelogik, Stellglied und Antriebsschaltung.
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-Die an sich bekannte Antriebsschaltung soll hier wegen der Verständlichkeit
der Funktion des Stellgliedes kurz beschrieben werden. Der zu diesem Zwecke eingeführte
Schalter S sei hierzu geschlossen. Der Transistor T1 mit dem Widerstand R1, dem
Kondensator C1 und den Antriebs- und Steuerspulen SS, AS stellt zusammen mit dem
permanentmagnetischen Läufer des Motors eine Oszillatorschaltung dar. Der Transistor
T2 mit dem Kondensator C2 und dem Widerstand R1 bildet eine von der induzierten
Spannung in beiden Spulen und damit eine von der Drehzahl des Motors abhängige Vorspannungsquelle
für die Basis-Emitter-Strecke des Transistors T1. Damit erreicht man eine sehr gute
Drehzahlstabilisierung des Motors auch bei Veränderung sämtlicher Parameter der
Anordnung durch ungewollte Einflüsse.
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Ab jetzt sei Schalter S geöffnet. Dann funktioniert die oben beschriebene
Drehzahl stabilisierung nur, wenn Transistor T3 leitet.
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Sperrt T3, dann steigt die Drehzahl des Motors sehr stark an und wird
nur durch die Verluste begrenzt. Diese Enddrehzahl kann ein Vielfaches der bei geschlossenem
Schalter S auftretenden stabilisierten Drehzahl sein.
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Die Diode D3 hat folgende Funktion: Für U5 = ° V stellt sie sicher,
daß T3 sperrt, für Us = + UBatt sorgt sie dafür, daß T3 erst leitend wird, wenn
die Spannung zwischen Null und Emitter von T2 etwas größer als die Basis-Emitter-Schwellspannung
von T2 ist.
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Um T3 leitend zu machen, muß das der Basis von T3 abgewendete Ende
von R3 auf + UBatt liegen (Us ' + UBatt) Transistor T3 ist gesperrt, wenn dieses
Ende auf 0 V liegt (U5 = O V).
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Wie die Tabelle 3f)des Zählerstandes zeigt, ist U5 = O V, wenn der
Ausgang a3 des Zählers die logische 0 zeigt, und U5 = + UBatt, wenn a3 die logische
L zeigt.
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Ist der Zähler,wie hier, so ausgeführt, daß die logische 0 durch 0
V und die logische L durch + UBatt dargestellt wird, dann reduziert sich die Auswertelogik
auf eine einzige leitende Verbindung zwischen a3 und R3.
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Wirkungsweise des in Fig. 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiels,
die mit Hilfe der Fig. 3 erläutert wird: Die Quarzimpulse am Ausgang des Frequenzteilers
und die Motorimpulse werden durch Impulsformer in Nadelimpulse umgeformt und so
den Eingängen des Vor-Rückwärts-Zählers zugeführt (Fig. 1 und Fig. 3a),3b). Dieser
ist so ausgelegt, daß er bei einem Impuls an e1 (Quarzimpulse) um eine Einheit in
negativer Richtung, bei einem Impuls an e2 (Motorimpulse) um eine Einheit in positiver
Richtung weiterzählt. Bei gleichzeitigem Eintreffen von Impulsen an e1 und e2 ändert
sich der Zählerstand nicht.
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Der Zählerstand an den Ausgängen aO, a1, a2, a3 des Vor-Rückwärts-Zählers
erscheint nach Tabelle 3f)als Dualzahl, wobei der logischen L die Spannung + UBatt,der
logischen 0 die Spannung O V
zugeordnet ist.
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Wie Tabelle 3f)zeigt, genügt für die Auswertelogik die Erfassung des
Ausganges a3, da dieser für Zählerstand 8 ... 15 in L (= + UBatt für Zählerstand
7 ... O in O ( O V) steht.
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Fig. 3a)- 3e)zeigt einige Größen des Quarzuhrsystems ohne größere
äußere Störung: t = 0 bis t = T1,und während einer Sprungstörung: t = T1 bis t =
T2, bzw. das Wiedereinschwingen nach der Störung: t = T2 bis t = T4.
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Fig. 3a) zeigt die äquidistante Folge der Nadelimpulse des Frequenznormals.
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Fig. 3b)zeigt die Folge der Nadelimpulse die aus den Motorimpulsen
gebildet sind.
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Der Abstand zweier Nadelimpulse ist klein bei großer Drehzahl des
Motors und groß bei kleiner Drehzahl des Motors. Ist der Zählerstand des Vor-Rückwärts-Zählers
8 ... 15, d.h. der Digitalwert der Auswertelogik L und die Spannung des Stellgliedes
Us = + UBatt, dann ist die Drehzahl des Motors klein (großer Abstand der Nadelimpulse).
Für Zählerstand O ... 7 ist der Digitalwert der Auswertelogik O, U5 = ° V, dann
ist die Drehzahl
des Motors groß (kleiner Abstand der Nadelimpulse).
Beim übergang des Stellgliedes vom einen zum anderen Spannungswert ändert sich die
Drehzahl des Motors nicht schlagartig, sondern nach einer e-Funktion mit einer Zeitkonstante,
die vom Aufbau des Motors bestimmt wird.
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Deshalb ergeben sich auch ohne größere äußere Störungen Regelschwingungen
kleiner Amplitude (t ( T1 und t > T4), Im Bereich t = T1 bis t = T2 wurde eine
äußere Sprungstörung angenommen, die direkt auf den Motor wirkt und innerhalb ungefähr
einer Periode des Frequenznormals fünf Vollschwingungen des Motors bewirkt. Diese
Störung wird ungefähr bis zum Zeitpunkt t = T4 ausgeregelt. Hier zeigt sich sehr
deutlich der Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung. Der Regelbereich, d.h. die
maximale Abweichung der Regelgröße (Zähierstand) in positiver und negativer Richtung,
ohne daß ein Fehler auftritt, ist hier gleich dem 7fachen Abstand zweier Motorimpulse,
während bei Synchronisation durch herkömmliche Phasenregelung, bei optimal eingestelltem
Arbeitspunkt, die Abweichung von diesem höchstens gleich dem halben Abstand zweier
Motorimpulse sein darf.