DE2219493A1

DE2219493A1 - Elektronisches Uhrwerk

Info

Publication number: DE2219493A1
Application number: DE19722219493
Authority: DE
Inventors: Fridolin Neuenburg Wiget (Schweiz). P
Original assignee: Ebauches SA
Current assignee: Ebauchesfabrik ETA AG
Priority date: 1971-04-22
Filing date: 1972-04-18
Publication date: 1972-11-02
Also published as: FR2133872B1; JPS5625636B1; DE2219493B2; CH585271A4; US3812669A; IT952693B; GB1370564A; FR2133872A1; CH540520A; DE2219493C3

Description

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PATENTANWALT DIPL-ING. R. M U LLER-BORNER PATENTANWALT D I P L. -1 N G. HANS-H. WEY

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TtL 0311 · 762907 · TELEGR. PROPINDUS . TELEX 0184057 TEL 0811 · 225585 · TELEGR. PROPINDUS · TtLEX 0524244

Berlin, den 18. April 1972

EBAUCHES S.A.
Neuchätel/Schweiz

Elektronisches Uhrwerk

Ein elektronisches Uhrwerk enthält im allgemeinen:

- Einen Oszillator, dessen Resonator ein piezoelektrischer Kristall von genau bestimmter Form (Stab, Stimmgabel, Linse) ist. Eine passende elektronische Schaltung unterhalt die Schwingungen dieses Resonators bei einer im allgemeinen zwischen einigen kHz und einigen MIIz liegenden Frequenz ·

- Einen Frequenzteiler, der die Frequenz des Oszillators durch einen konstanten Faktor so teilt, daß man eine erheblich niedrigere Frequenz erhält.

- Einen Frequenzintegrator, der diese Niederfrequenz integriert, so daß ein Zeitmaßstab erzeugt wird. Dieser Integrator kann aus einem Synchron- oder einem Schrittschaltmotor bestehen, der ein die klassischen Zeiger tragendes Räderwerk antreibt. Er kann auch aus einem elektronischen Zähler mit digitaler Zeitanzeige bestehen. Dies sind hier nur zwei mögliche Ausführung sbeiapiele.

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- Eine elektrische Energiequelle, die die vorgenannten Vorrichtungen speist.

Die Genauigkeit der Uhr stimmt mit der des Oszillators oder genauer gesagt mit der des ihn steuernden Resonators überein.

Bei industrieller Herstellung ist es unmöglich, wirtschaftlich

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piezoelektrische Kristalle mit einer unter einigen 10 liegenden Toleranz der Frequenz zu erzielen, was einer Ganggenauigkeit von einigen Sekunden pro Tag entspricht.

Außerdem ändert sich die Eigenfrequenz des Kristalls in unabwendbarer Weise durch die Alterungserscheinung und durch die Umgebung, beispielsweise durch die Stösse.

Wenn eine hohe Genauigkeit notwendig ist, müssen also Mittel zum Regeln der Frequenz des Oszillators vorgesehen werden, indem er mit Hilfsmitteln mehr oder weniger weit entfernt von der Eigenfrequenz des Resonators angetrieben wird.

Auf diese Weise läßt sich ein genauer Oszillator herstellen und (innerhalb bestimmter Grenzen) diese Genauigkeit wieder herstellen, wenn sie sich verschlechtert hat.

Zu diesem Zweck wird beispielsweise mit einem Quarzresonator ein als Trimmer bezeichneter Drehkondensator in Reihe geschaltet, der das Regeln der Frequenz des Oszillators ermöglicht.

Dieses wohlbekannte und sehr weit verbreitete Verfahren gibt zu Bedenken Anlaß:

- Durch künstliches Unterhalten der Frequenz des Oszillators weit entfernt von der Eigenfrequenz des Resonators verschlechtert man die Stabilitätseigenschaften des Oszillators, und

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zwar um so mehr, je grosser der Unterschied zwischen den beiden Frequenzen (Korrektur) ist. Auf diese Weise stellt man also die chronometrischen Leistungen des Ganzen ernsthaft in Frage.

- Die Benutzung eines Trimmkonaensators ermöglicht es nicht, zugleich einen weiten Korrekturbereich und eine hohe Korrekturfeinheit zu erreichen.

- Bei der Entwicklung einer elektronischen Armbanduhr von sehr geringem Volumen stellt der Bau des Trimmkondensators zahlreiche Probleme sowohl vom Fertigungs- als auch vom technologischen Standpunkt her gesehen. Dieser Trimmer ist ein aufwendiges, Raum beanspruchendes, empfindliches, wenig zuverlässiges und im ganzen recht wenig wirksames Teil.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe ist die Behebung dieser verschiedenen Mangel und Nachteile, indem man zum Regeln des Gangs der Uhr in völlig anderer Weise verfährt.

Bei der Vorrichtung nach der Erfindung

- stimmt die Frequenz des Oszillators mit der des auf seiner Eigenfrequenz schwingenden Resonators überein. Diese Schwingungen werden also durch nichts gestört.

- Der Teilungsfaktor des elektronischen Teilers wird so eingestellt, daß, ausgehend von der unrichtigen Frequenz des Oszillators, ein Zeitmaßstab mit der erforderlichen Genauigkeit erzielt wird.

Wenn beispielsweise der Teilungsfaktor des Teilers in der Grössenordnung von 10 liegt, so läßt sich die Genauigkeit des Zeitmaßstabes bis auf etwa 10~ , d.h. auf weniger als 0,1 Sekunden pro Tag, regeln, und zwar über einen beliebig grossen Bereich.

2 09845/0888 ~ ^k ~

Die Erfindung feetrifft also ein elektronisches Uhrwerk mit einem als Zeitbasis dienenden piezoelektrischen Oszillator, einer Frequenzteilerkette und einer durch das Ausgangssignal der Teilungskette zumindest mittelbar gesteuerten Anzeigevorrichtung, das ausgezeichnet ist durch das Regeln des Teilungsfaktors der Kette innerhalb bestimmter Grenzen ermöglichende Mittel, die bestehen aus:

a) einem Digitalvergleicher zum Vergleichen des logischen Zustandes einer binären Bezugsschaltung mit M Bits mit dem (logischen Zustand) von M Stufen der Teilungskette;

b) einer Vorrichtung, die es ermöglicht, abwechselnd den Vergleicher während einer natürlichen Periode der Teilungskette zu sperren und ihn während der nächsten Periode zu entsperren; und

c) einer Schaltung, die die nächste Periode von dem Zeitpunkt an, da zwischen dem logischen Zustand der Bezugsschaltung und dem der M Stufen Übereinstimmung besteht, abkürzt, indem sie die M Stufen der Kette auf Null zurückstellt.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung sind nachstehend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschema dieser Ausführungsform,

Fig. 2 ein mögliches Ausführungsbeispiel des Digitalvergleichers und der binären Bezugsschaltung,

Fig. 3 ein mögliches AusfUhrungsbeispiel eines den Verlauf der elektrischen Signale ergebenden monostabilen Multivibrators.

_ r _ J

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F , die Frequenz des in Fig. i dargestellten Oszillators, wird durch eine aus Ni-Mj-P mit FFD bezeichneten Flip-Flop-Schaltungen gebildete Teilungskette geteilt. Der natürliche Teilungsfaktor

N+
dieser Kette ist gleich A= 2

Kette ist gleich T_n = 2^{iN+ +r}'F

N+M+P
dieser Kette ist gleich A= 2 . Die natürliche Periode dieser

_Q.

Die letzte Flip-Flop-Schaltung dieser Kette steuert einen monostabilen Multivibrator MONO 1, der einerseits die Zeitanzeigevorrichtung II und andererseits den Eingang "clear" einer Regel-Flip-Flop-Schaltung FFC ansteuert.

Die Ausgänge der Teilungs-Flip-Flop-Schaltungen mit den Bezugszeichen N+l bis N+M sind an die Eingänge A. bis Aw eines Digitalvergleichers mit M Bits angeschlossen.

Die M Ausgänge einer binären Bezugsschaltung mit M Bits sind an die Eingänge B. bis B„ des Digitalvergleichers mit M Bits angeschlossen.

Die Arbeitsweise dieses Vergleichers ist folgende:

- Wenn der Sperreingang BLO des Vergleichers sich auf einem logischen Pegel 1 befindet, ist der Vergleicher gesperrt, und sein Ausgang S verbleibt ständig auf einem logischen Pegel Null.

- Wenn der Inhalt der Stufen N+l bis N+M der Teilungskette zunächst Null ist und dann regelmäßig zunimmt, und der Sperreingang BLO sich auf einem logischen Pegel Null befindet, geht der Ausgang des Vergleichers, der zunächst gleich Null ist, auf den logischen Pegel 1 zu dem Zeitpunkt über, da zwischen der in der binären Bezugsschaltung enthaltenen binären Zahl K und der in den Stufen N+l bis N+M der Teilungskette enthaltenen binären Zahl Übereinstimmung besteht. Der Inhalt dieser Stufen ist dann gleich K.

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-G-

9 ? I Q /. Q

Nunmehr wird die Arbeitsweise des Systems beschrieben. Hier sei der Zeitpunkt in Betracht gezogen, zu dem der monostabile Multivibrator MONO 1 einerseits dem Anzeigesystem und andererseits der Regel-Flip-Flop-Schaltung seinen Impuls zugeführt hat. Die über ihren Eingang "clear" angesteuerte Regel-Flip-Flop-Schaltung kippt um, wobei ihr Ausgang Q auf den Zustand Null übergeht. Somit ist der Digitalvergleicher entsperrt. Sämtliche Teilungs-Flip.-Flop-Schaltungen befinden sich in Null-Zustand, so daß die natürliche Teilungsperiode anläuft. Sobald jedoch der Inhalt der Flip-Flop-Schaltungen N+l bis N+M den in der binären Bezugsschaltung verkörperten Wert K erreicht, führt der Digitalvergleicher dem "set"-Eingang der Regel-Flip-Flop-Schaltung ein logisches Pegelsignal zu. Die Regel-Flip-Flop-Schaltung kippt um, wobei ihr Ausgang Q auf den Zustand 1 übergeht. Der Vergleicher wird erneut gesperrt, und der Multivibrator MONO 2 sendet einen Impuls aus, der die Flip-Flop-Schaltungen N+l bis N+M auf Null stellt. Es zeigt sich, daß dann sämtliche Flip-Flop-Schaltungen FFD wieder auf Null sind. Der gesamte Vorgang hat eine Zeit T , die abgekürzte Periode, gedauert,

die T = 2^Ν·Κ · F_n beträgt,
a ο

Es beginnt sofort eine neue natürliche Zählperiode, die bis an ihr Ende anhält, da der Vergleicher gesperrt ist. Am Ende dieser natürlichen Periode sendet der monostabile Multivibrator MONO seinen Impuls aus, worauf sich der gleiche Zyklus wiederholt.

Es zeigt sich, daß unter diesen Bedingungen die wirkliche Periode T des Systems gleich der Summe aus abgekürzter Periode T und natürlicher Periode T ist. Sie läßt sich wie folgt ausdrücken

^Tr - ^Ta ^{+ T}n = ^Fo (²" ' ^{K +}

T = F„ . 2^N (K ♦ 2^M+P)

K kann zwischen 0 und 2-1 liegen.

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Der Regelbereich ist gegeben durch den Ausdruck:

Δ - s-^p

Die Regelgenauigkeit ist gegeben durch den Ausdruck:

Es sei bemerkt, daß sich zugleich für.d und fürf interessante Werte erzielen lassen, die sich in gleicher Richtung verändern. Besonders, wenn man M = P = 10 macht, was ohne weiteres möglich ist, erhält man etwa:

Δ = ίο

"³

was bedeutet, daß sich eine auf 10 , d.h. etwa 0,1 Sekunden pro Tag, regelbare elektronische Uhr mit einem Oszillator herstellen läßt, dessen Resonator eine Fertigungsgenauigkeit von 10 ^J , d.h. I⁰JoO₁ hat, ein Ergebnis, das mit auf der Verwendung von Trimmern beruhenden Regelmethoden unmöglich zu erreichen ist,

Fig. 2 ist ein Schema einer möglichen Ausführung des Vergleichers und der binären Bezugsschaltung. Das Ganze ist hier der Deutlichkeit halber für h Bits (M=4t) und K = 6 gezeichnet worden. Es werden NOR-Torschaltungen bei positiver Logik benutzt. Es sei bemerkt, daß in diesem besonderen Fall die logische Bezugsschaltung dem Vergleicher den Komplementärwert von K zuführen soll. Die logische Bezugsschaltung ist hier mit Hilfe von Schaltern hergestellt wordem

Fig. 3 zeigt eine mögliche Ausführung eines in Fig. 1 mit MONO oder MONO 2 bezeichneten monostabilen Multivibrators. Er wird

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- ⁸~ ?219493

rait Hilfe einer an zwei Stellen an die Teilungslcette angeschlossenen Flip-Flop-Sehaltung vom Typ D und einer NOR-Torschaltung erzielt. In Fig. 3 sind außerdem die Formen der Signale an den verschiedenen Stellen der Schaltung dargestellt.

Patentansprüche;

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Claims

Patentansprüche

1. Elektronisches Uhrwerk mit einem als Zeitbasis dienenden piezoelektrischen Oszillator, einer Frequenzteilungskette und einer durch das Ausgangssignal der Teilungskette zumindest mittelbar gesteuerten Anzeigevorrichtung, gekennzeichnet durch das Regeln des Teilungsfaktors der Kette innerhalb bestimmter Grenzen ermöglichende Mittel, die bestehen aus:

a) einem Digitalvergleicher zum Vergleichen des logischen Zustandes einer binären Bezugsschaltung mit M Bits mit dem (logischen Zustand) von M Stufen der Teilungskette j

b) einer Vorrichtung, die es ermöglicht, abwechselnd den Vergleicher während einer natürlichen Periode der Teilungskette zu sperren und ihn während der nächsten Periode zu entsperren; und

c) einer Schaltung, die die nächste Periode von dem Zeitpunkt, da zwischen dem logischen Zustand der Bezugschaltung und dem der M Stufen Übereinstimmung besteht, abkürzt, indem sie die M Stufen der Kette auf Null zurückstellt.

2. Uhrwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die binäre Bezugssohaltung aus einer Gruppe von M Sohaltern besteht, die den Eingängen des Digitalvergleichers Signale mit den logischen Pegeln O oder 1 zuführen.

3. Uhrwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die bi näre Bezugsschaltung aus einem elektronischen Speicher besteht.

>t. Uhrwerk nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß der elektronische Speicher aus einem Schieberegister besteht.

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5. Uhrwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es eine Flip-Flop-Schaltung (FFC) enthält, die den Sperreingang (BLO) des Vergleichers steuert und selbst abwechselnd durch den Ausgang (S) des Vergleichers und den Ausgang der Teilungskette gesteuert wird.

»6. Uhrwerk nach Anspruch 5_} dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang (Q) der Flip-Flop-Schaltung (FFC) über einen monostabilen Multivibrator (MONO 2) an die Rückstelleingänge (RESET) einer bestimmten Anzahl Stufen der Teilungskette angeschlossen ist.

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