DE2125224B2

DE2125224B2 - Vorrichtung zur Korrektur des Ganges eines zeithaltenden Gerätes

Info

Publication number: DE2125224B2
Application number: DE2125224A
Authority: DE
Inventors: Manfred Dipl.-Ing. 7153 Unterweissach Ackermann; Hanno Dipl.-Ing. 7030 Boeblingen Ix
Original assignee: FORSCHUNGSGESELLSCHAFT fur UHREN- und FEINGERAETE-TECHNIK 7000 STUTTGART
Current assignee: FORSCHUNGSGESELLSCHAFT fur UHREN- und FEINGERAETE-TECHNIK 7000 STUTTGART
Priority date: 1971-05-21
Filing date: 1971-05-21
Publication date: 1975-04-30
Also published as: DE2125224C3; DE2125224A1

Description

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. Weiterhin ist bei den bisher bekannten Systemen, die mit direkt gesteuerten Schrittschaltmotoren, z. B. mittels Vorrichtungen der eingangs genannten Art, direkt synchronisierten Schwingern und Motoren arbeiten, eine Anordnung notwendig, die schoit innerhalb einer einzigen Fortschahperiode eventuelle Fehler rückgängig machen muß. Bei solchen Systemen kann die Stoßempfindlichkeit, z. B. bei sportlicher Betätigung, zu einer bleibenden Standabweichung führen.

Um diese Nachteile weitgehend zu beseitigen, mußten aufwendige Sonderkonstruktionen für das Anzeige- und Fortschaltsystem vorgesehen werden, z. B. Schwingsysteme mit hohem Ene'gieinhalt, d. h. mit großer Amplitude und hoher Frequenz.

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, Syn- »5 chronmotoren, synchronisierte Motoren, synchronisierte Schwingungssysteme, Schrittschaltmotoren oder elektromechanische Schrittschaltwerke. Man hat daher versucht, bei Schrittschaltwerken Sprrrvorrichtungen einzubauen, um eine Fortschaltung durch Störungen zu verhindern. Außer der Notwendigkeit einer zusätzlichen Mechanik haben auch diese Vorrichtungen den Nachteil der Störanfälligkeit.

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 Eigenfrequenz 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 Sekunde. Deshalb läßt sich auch die Unruh üblicher Frequenz für Armbanduhren nicht mit der notwendigen Sicherheit direkt synchronisieren. Entsprechendes gilt für die Verwendung von direkt synchronisierten Gleichstrommotoren.

Weiterhin sind mechanische Schaltvorrichtungen empfindlich gegen Translations- und Drehstöße, was sich insbesondere bei Armbanduhren fatal auswirken kann, wo im Gebrauch Beschleunigungen von einigen 10⁵ cm s~² auftreten können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Gangkorrekturvorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der zwar kurzfristig Standänderungen zugelassen werden, der langzeitige Stand jedoch korrigiert wird.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 angegebene Erfindung gelöst.

Bei Gebrauchsuhren muß die Ablesung der momentanen Zeit höchstens auf die Sekunde genau erfolgen, während der langzeitige Standfehler der Uhr möglichst klein sein soll. Die Erfindung macht sich diese Erkenntnis zunutze.

Bei der Erfindung wird das störunempfindliche Frequenznormal in dieselbe Uhreneinheit eingebaut und mit ihr der Stand des Anzeigesystems korrigiert. Der Vorteil ist leicht ersichtlich. Selbst wenn das Anzeigesystem durch Störungen relativ große Standdifferenzen erfährt, so werden langzeitige Standdifferenzen ausgeglichen.

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 Standdiffeienzen führen.

Es können also ohne weiteres viele bereits in großen Stückzahlen gefertigte Anzeigesysieme verwendet werden, die durch eine elektrisch gesteuerte Unruh, einen Motor od. dgl. angetrieben werden.

Als digitale Meßanordnung zur Ermittlung der Differenz der Anzahl von Wandler- und Normalirequenzimpulsen kann vorteilhafterweise ein Vor-Rückwärts-Zähler, ein Ring-Zähler oder ein Schieberegister verwendet werden. 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. 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. Dies kann z. B. 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 das Stellglied erst ab einem gewissen Mindestbetrag des Meßergebnisses in Abhängigkeit von dessen Vorzeichen gesteuert wird. Da besteht ferner noch die Möglichkeit, 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 Sicherheit gewährleistet wird.

Alle hier gezeigten Möglichkeiten können schaltungstechnisch rein digital und mit geringem Aufwand realisiert werden, so daß auch hier die Vorteile der Digitaltechnik zur Geltung kommen.

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 arbeilen kann als bisher bekannte Uhrenantriebe.

Das bringt besondere wirtschaftliche Vorteile bei Verwendung von relativ ungenauen Schwingungssyslemen, z. B. von einer Blattfeder, einer unausgewuchteten Unruh, von freilaufenden oder drchzahlstabilisierten Motoren.

Die Erläuterung der Erfindung erfolgt nunmehr an Hand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels. Es zeigt

Fig. 1 das Blockschaltbild einer quarzgesteuerten Armbanduhr mit geringer Leistungsaufnahme,

F i g. 2 die Ausführung von Auswertelogik, Stellglied und Antriebsschaltung,

Fig. 3, 3a) bis 3e) ein Beispiel für die zeitliche Folge von Impulsen im quarzgesteuerten System bei äußeren Störungen des elektromechanischen Wandlers,

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 U_s.

Wie Fig. 1 zeigt, steuert der interne Quarzoszillator 1 den Frequenzteiler 2.

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 Stellclied 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.

F i g. 2 zeigt die Ausführung von Auswcrtelogik, Stellglied und Antriebsschaltung.

Die an sich bekannte Antriebsschaltung soll hier wegen der Verständlichkeit der Funktion des Stellgliedes kurz beschrieben werden. Der zu diesem Zweck eingeführte Schalter S sei hierzu geschlossen. Der Transistor T₁ mit dem Widerstand A₁, dem Kondensator C₁ und den Antriebs- und Steuerspulen SS, AS stellt zusammen mit dem permanentmagnetischen Läufer des Motors eine Oszillatorschaltung dar. Der Transistor T₁ mit dem Kondensator C., und dem Widerstand A₁ bildet eine von der induzierten Spannung in beiden Spulen und damit eine von det 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.

Ab jetzt sei Schalter 5 geöffnet. Dann funktioniert die oben beschriebene Drehzahlstabilisierung nur, wenn Transistor T₃ leitet. 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.

Die Diode D₃ hat folgende Funktion: Für (Z₅ = OV stellt sie sicher, daß T₃ sperrt, für U_s = + U_Boll 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.

Urn T₃ leitend zu machen, muß das der Basis von T₃ abgewendete Ende von R_x auf + U _ß„„ liegen ifi_s = + U_Batl). Transistor T₃ ist gesperrt, wenn dieses Ende auf 0 V liegt (U_s = 0 V).

Wie die Tabelle 3 f) des Zählerstandes zeigt, ist V_s = OV, wenn der Ausgang a₃ des Zählers die logische 0 zeigt, und U_s = -f U_BaU, wenn a₃ die logische L zeigt.

Ist der Zähler, wie hier, so ausgeführt, daß die logische 0 durch 0 V und die logische L durch + Vsatt dargestellt wird, dann reduziert sich die Auswertelogik auf eine einzige leitende Verbindung zwischen a. und R..

Λ Λ

Wirkungsweise des in Fig. 1 und 2 dargestellten Ausfuhrungsbeispiels, die mit Hilfe der F i g. 3 erläutert wird:

Die Quarzimpulse am Ausgang des Frequenzteilers und die Motorimpulse werden durch Impulsformer in Nadelimpulse umgeformt und so den Eingängcn des Vor-Rückwärts-Zählers zugeführt (F i g. 1 und F i g. 3 a), 3 b). Dieser ist so ausgelegt, daß er bei einem Impuls an <?, (Quarzimpulse) um eine Einheit in negativer Richtung, bei einem Impuls an C₂ (Motorimpulse) um eine Einheit in positiver Richtung weiterzahlt. Bei gleichzeitigem Eintreffen von Impulsen an P₁ und e., ändert sich der Zählerstand nicht.

Der Zählerstand an den Ausgängen a_u,a_va.,,a₃

ίο des Vor-Rückwärts-Zählers erscheint nach Tabelle 3f) als Dualzahl, wobei der logischen L die Spannung H U_nilll, der logischen O die Spannung O V zugeordnet ist.

Wie Tabelle 3 f) zeigt, genügt für die Auswertelogik die Erfassung des Ausganges a._v da dieser für

Zählerstand 8 ... 15 in L (^ + U_Rall), für
Zählerstand 7 ... O in O ( δ Ο V) steht.

Fig. 3a) bis 3ef zeigt einige Größen des Quarzuhrsyslems ohne größere äußere Störung:

/ = O bis t — T₁
und während einer Sprungstörung:

t ■= T. bis t = T,
bzw. das Wiedereinschwingen nach der Störung:

ι ^- T₂ bis t = T₄.

F i g. 3 a) zeigt die äquidistante Folge der Nadel-

impulse des Frequenznormals.

F i g. 3 b) zeigt die Folge der Nadelimpulse, die aus den Motorimpulsen gebildet sind.

Der Absland 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 Auswerlelogik L und die Spannung des Stellgliedes U_s = H- Untiti-i dann ist die Drehzahl des Motors klein (großer Abstand der Nadelimpulse). Für Zählerstand

O... 7 ist der Digitalwert der Auswertelogik O, Vs = 0 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.

Deshalb ergeben sich auch ohne größere äußere Störungen Regelschwingungen kleiner Amplitude

(<<T, und t>T_t). Im Bereich / = 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 un-

gefahr bis zum Zeitpunkt t = T₄ ausgeregelt. Hiei zeigt sich sehr deutlich der Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung. Der Regelbereich, d. h. die maximale Abweichung der Regelgröße (Zählerstand' in positiver und negativer Richtung, ohne daß eil

Fehler auftritt, ist hier gleich dem 7fachen Abstanc zweier Motorimpulse, während bei Synchronisatioi durch herkömmliche Phasenregelung, bei optima eingestelltem Arbeitspunkt, die Abweichung voi diesem höchstens gleich dem halben Abstand zweie Motorimpulse sein darf.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Korrektur des Ganges eines zeithaltenden Gerätes, insbesondere einer batteriebetriebenen Armbanduhr, mit einem Frequenznormal, insbesondere einem quarzgesteuerten Oszillator, das über einen Frequenzteiler periodische Impulse erzeugt, die einen elektromechanischen Wandler als Antrieb des Anzeigewerks steuern, der eine gegenüber dem Frequenznormal ungenaue Eigenfrequenz aufweist und Impulse entsprechend seiner Eigenfrequenz abgibt, die seiue Phasenlage gegenüber den vom Frequenznormal abgeleiteten Impulsen kennzeichnen, mit einer Meßanordnung, der die vom Wandler und die vom Frequenznormal abgeleiteten Impulse zugeführt werden und die deren Phasendifferenz ermittelt, und mit einem durch die Meßanordnung betätigten Stellglied, das je nach der erinittelten Phasendifferenz verschiedene elektrische Ausgangsignale abgibt, die den elektromechanischen Wandler in seine Eigenfrequenz so •teuern, daß der Betrag der Phasendifferenz einen bestimmten Wert nicht überschreitet, dadurch gekennzeichnet, daß eine digitale Meßanordnung vorgesehen ist, die fortlaufend die Differenz der Anzahl der ihr zugeführten Impulse •nd damit deren gegenseitige Phasendifferenz er-■nittelt und die das Stellglied so betätigt, daß dieses je nach Vonreichen der gemessenen Diffefenz verschiedene Ausgangssignale abgibt, die den elektromechanischen Wandler in seiner Eigenfrequenz derart beeinflussen, daß im zeitlichen Mittel die Anzahl seiner Impulse bzw. teine Phase die gleiche ist wie die der vom Frequenznormal abgeleiteten Impulse.

2. Vorrichtung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die digitale Meßanordnung zur Ermittlung der Differenz der Anzahl von Wandler- und Normalfrequenzimpulsen und damit deren Phasendifferenz ein elektronischer Vor-Ilückwärts-Zähler ist, der an seinen Eingängen •lit den Impulsen vom elektromechanischen Wandler und vom Frequenznormal gesteuert «vird, und an seinen Ausgängen Signale abgibt, die die genannte Differenz kennzeichnen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die digitale Meßanordung zur Ermittlung der Differenz der Anzahl von Wandler- und Normalimpulsen und damit deren !»hasendifferenz ein elektronischer Ringzähler ist, der an seinen Eingängen mit den Impulsen vom •lektromechanischen Wandler und vom Frequenznormal gesteuert wird, und an seinen Ausgängen Signale abgibt, die die genannte Differenz kennteichnen.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die digitale Meßanordnung zur Ermittlung der Differenz der Anzahl von Wandler- und Normalimpulsen und damit deren Phasendifferenz ein Schieberegister ist, das an seinen Eingängen mit den Impulsen vom elektromechanischen Wandler und vom Frequenznormal gesteuert wird, und an seinen Ausgängen Signale abgibt, die die genannte Differenz kennzeichnen.

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Korrektur des Ganges eines zeithaltenden Gerätes, insbesondere einer batteriebetriebenen Armbanduhr, mit einem Frequenznormal, insbesondere einem quarzgesteuerten Oszillator, das über einen Frequenzteiler periodische Impulse erzeugt, die einen elektromechanischen Wandler als Antrieb des Anzeigewerks steuern, der eine gegenüber dem Frequenznormal ungenaue Eigenfrequenz aufweist und Impulse entsprechend seiner Eigenfrequenz abgibt, die seine Phasenlage gegenüber den vom Frequenznormal abgeleiteten Impulsen kennzeichnen, mit einer Meßanordnung, der die vom Wandler und die vom Frequenznormal abgeleiteten Impulse zugeführt werden und die deren Phasendifferenz ermittelt, und mit einem durch die Meßanordnung betätigten Stellglied, das je nach der ermittelten Phasendifferenz verschiedene elektrische Ausgangssignale abgibt, die den elektromechanischen Wandler in seine Eigenfrequenz so steuern, daß der Betrag der Phasendifferenz einen bestimmten Wert nicht überschreitet.

Bekannt sind Quarzarmbanduhren, die einen Quarzoszillator in Verbindung mit einem Frequenzteiler und ein direkt von den Ausgangsimpulsen des Frequenzteilers gesteuertes elektromcchanisches Anzeigesy:tem enthalten (vgl. CoHoque International de Chronometrie, Paris 1969; Montre-bracelet iilectronique ä quartz [B 242]).

Häufig kommen bei solchen Uhren elektromechanische Wandler zur Anwendung, die eine bestimmte Eigenfrequenz aufweisen. Diese Eigenfrequenz ist gegenüber der vom Quarzoszillator bestimmten Frequenz der Ausgangsimpulse des Frequenzteilers ungenau und insbesondere äußeren Einflüssen unterworfen. Durch bekannte Vorrichtungen der eingangs genannten Art (DT-OS 16 73 781, CH-AS 10 747/67) können Gangabweichungen in relativ engen Grenzen korrigiert werden. Diese Grenzen sind dadurch gegeben, daß durch die bei diesen Vorrichtungen angewandten Phasenregelschleifen nur eine Phasendifferenz zwischen Steuerimpuls und den vom Wandler erzeugten Impulsen von maximal ±180 ausgeregelt werden kann. Größere Phasenabweichungen, durch äußere Einflüsse bedingt, worauf noch eingegangen wird, führen zu einer ständigen Gangabweichung.

Bekannt ist ferner eine Quarzarmbanduhr mit einem Zeitnormal hoher Schwingungsgüte mit Teilerstufen und einem Zeitanzeiger, der die elektrischen, frequenzgeteilten Signale in sichtbare Signale umwandelt. Hierbei findet eine Gangkorrekturvorrichtung Anwendung, bei der eine mit dem Getriebe zusammenarbeitende Scheibe in bezug auf einen (über einen zusätzlichen Frequenzteiler) vom Frequenznormal abgeleiteten Impuls zu bestimmten Zeiten (2 x in 64 see) über ein Stellglied einen Fehler von maximal einem Schritt (positiv und negativ) korrigieren kann (DT-OS 16 73 774).

Der Nachteil dieser Lösung besteht darin, daß eine aufwendige und störanfällige Kontaktabnahme über eine zusätzliche Mechanik notwendig ist, wobei aber trotzdem bei hohen Armdrehbeschleunigungen Fehler auftreten können, da nur ein Fehler in 32 see korrigiert werden kann. Zudem ist diese Lösung nur anwendbar bei aperiodisch arbeitenden Wandlern.

Besondere Nachteile bekannter Quarzuhrsysteme, insbesondere Quarzarmbanduhren, bestehen darin.