DE2219493B2

DE2219493B2 - Elektronische Uhr mit einem piezoelektrischen Oszillator und einer Frequenzteilerkette mit einstellbarem Teilungsfaktor

Info

Publication number: DE2219493B2
Application number: DE2219493A
Authority: DE
Inventors: Fridolin Neuenburg Wiget (Schweiz)
Original assignee: Ebauches SA
Current assignee: Ebauchesfabrik ETA AG
Priority date: 1971-04-22
Filing date: 1972-04-18
Publication date: 1974-01-24
Also published as: FR2133872B1; CH540520A; US3812669A; CH585271A4; FR2133872A1; DE2219493C3; JPS5625636B1; IT952693B; GB1370564A; DE2219493A1

Description

Die Erfindung betrifft eine elektronische Uhr mit einem als Zeitbasis dienenden piezoelektrischen Oszillator und mit einer aus einer Vielzahl von 2:1 Teilern in Form von Flip-Flop-Schaltungen aufgebauten Frequenzteilerkette, deren Ausgangssignal zumindest mittelbar die Anzeigevorrichtung steuert und deren Teilungsfaktor innerhalb bestimmter Grenzen mit Hilfe einer logischen Schaltung einstellbar ist.
Eine elektronische Uhr enthält im allgemeinen: - Einen Oszillator, dessen Resonator ein piezoelektrischer Kristall von genau bestimmter Form (Stab, Stimmgabel, Linse) ist, wobei eine passende elektronische Schaltung die Schwingungen dieses Resonators bei einer im allgemeinen zwischen einigen kHz und einigen MHz liegenden Frequenz unterhalt.

- 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, wobei dieser Integrator aus einem Synchron- oder einem Schrittschaltmotor bestehen kann, der ein die klassischen Zeiger tragendes Räderwerk antreibt; er kann aber auch aus einem elektronischen Zähler mit digitaler Zeitanzeige bestehen; hierbei handelt es sich nur um zwei mögliche Ausführungsbeispiele.

- Eine elektrische Energiequelle, die die vorge- *° nannten Vorrichtungen speist.

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

Bei industrieller Herstellung ist es unmöglich, wirt- »5 schaftlich piezoelektrische Kristalle mit einer unter einigen 10 "⁵ liegenden Toleranz der Frequenzgenauigkeit zu erzielen, was einer Abweichung der Ganggenauigkeit von einigen Sekunden pro Tag entspricht.

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

Wenn eine hohe Frequenzgenauigkeit notwendig ist, können bekanntlich Einrichtungen zum Regeln der Frequenz des Oszillators vorgesehen werden, durch die er mehr oder weniger weit entfernt von der Eigenfrequenz des Resonators zum Schwingen gebracht wird.

Auf diese Weise läßt sich ein genauer Oszillator herstellen und (innerhalb bestimmter Grenzen) diese Genauigkeit wieder erreichen, wenn sie »ich 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 folgenden Bedenken Anlaß:

- Durch künstliches Aufrechterhalten der Fre-5» quenz des Oszillators weit entfernt von der Eigenfrequenz des Resonators verschlechtert man die Stabilitätseigenschaften des Oszillators, und zwar um so mehr, je größer 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 Trimmkondensators ermöglicht nicht, zugleich einen weiten Korrekturbereich und eine hohe Korrekturfeinheit zu erreichen.

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

Zwar ist schon durch die deutsche Auslegeschrift 1 946 166 eine elektronische Uhr der eingangs erwähnten Art bekannt, die ohne einen Trimmer auskommt, indem das Teilungsver'iältnis der Teilerkette dadurch verändert wird, daß mit Hilfe der Ausgangssignale bestimmter auswählbarer Teilerstufen die logische Schaltung betätigt wird und den Eingang einer Teilerstufe sperrt. Aber auch diese Einrichtung erreicht üoch keine hohe einstellbare Korrekturfeinheit bei Gangungenauigkeit, denn die Korrektur kann nur in Schritten vorgenommen werden, die von Schritt zu Schritt um den Faktor 2 größer werden.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, eine elektronische Uhr der eingangs genannten Art zu schaffen, die sich in weiten Grenzen und mit hoher Feinheit bei Gangabweichungen regeln läßt.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäßdadurch gelöst, daß vorgesehen sind

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

b) eine Schaltung zum abwechselnden Sperren und Freigeben des Vergleichen während aufeinanderfolgender Perioden des Ausgangssignals der Teilerkette und

c) eine Schaltung zum Rücksetzen der M Stufen der Kette auf Null zwecks Abkürzung der nächsten Periode vom Zeitpunkt der Übereinstimmung zwischen dem logischen Zustand der Bezugssclialtung und dem der M Stufen.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile sind darin zu sehen, daß

- die Frequenz des Oszillators mit der des auf seiner Eigenfrequenz schwingenden Resonators übereinstimmt, so daß diese Schwingungen durch nichts gestört werden, und

- der Teilungsfaktor des elektronischen Teilers in arithmetischer Progression, ausgehend von der nicht genauen Frequenz des Oszillators, in stets gleich großen Schritten so eingestellt werden kann, daß für den Gang der Uhr die erforderliche Genauigkeit erzielt wird.

Wenn beispielsweise der Teilungsfaktor des Teilers in der Größenordnung von 10⁶ liegt, so läßt sich die Genauigkeit des Zeitmaßstabes bis auf etwa 10~⁶, d. h. auf weniger als 0,1 Sekunden pro Tag, regeln, und zwar über einen großen Bereich, der mit steigender Zahl M ansteigt.

Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein Blockschema dieses Ausführungsbeispiels,

Fig. 2 eine mögliche Schaltung für den Digitaivergleicher und die binäre Bezugsschaitung,

Fig. 3 eine mögliche Schaltungeines nionostabilen Multivibrators und die an seinen Eingängen und seinem Ausgang auftretenden elektrischen Signale.

/⁷Ij, die Frequenz des in Fig. 1 dargestellten Oszillators, wird durch eine aus N+M + P mit FFD bezeichneten Flip-Flop-Schaltungen gebildete Teilerkette geteih. Der natürliche Teilungsfaktor dieser Kette ist gleich /1 = 2'^V+MW'. Die natürliche Periode dieser Kette ist gleich T_n - 2 ^v' ^M' ^p ■ F„.

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

Die Ausgänge der Teiler-Flip-Flop-Schaltungen

FFD mit der Numerierung NhI bis N+M sind an

die Eingänge A₁ bis A_u eines Digitalvergleichers mit

M Bits angeschlossen. Die M Ausgänge einer binären

Bezugsschaltung mit M Bits sind an die Eingänge B₁

bis B_u dieses Digitalvergleichers 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+ Ibis N +M der Teilungskette zunächst Null ist und dann regel-

»o mäßig zunimmt, und der Sperreingang BLO sich auf einem logischen Pegel Null befindet, geht der Ausgang des Vergleichers, der zunächst gleich NuI! ist, auf den logischen Pegel 1 zu dem Zeitpunkt über, da zwischen der in der binären Bees zugsschaltung enthaltenen binären Zahl K und der in den Stufen N + 1 bis N+ M der Teilungskette enthaltenen binären Zahl Übereinstimmung besteht. Der Inhalt dieser Stufen ist dann gleich K.

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-Schaliung 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 Teiler-Flip-Fiop-Schaltungen befinden sich in Null-Zustand, so daß die ♦o natürliche Teilungsperiode anläuft. Sobald jedoch der Inhalt der Flip-Flop-Schaltungen N+ 1 bis N+ M den in der binären Bezugsschaitung 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+ 1 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_a, die abgekürzte Periode, gedauert, die T₀ = 2^N- K F₀ beträgt.

Es beginnt sofort eine neue natürliche Zählperiode,

die bis an ihr Ende anhält, da der Vergleicher gesperrt

ist. Am Ende dieser natürlichen Periode sendei der

monostabile Multivibrator MONO 1 seinen Impuls aus, worauf sich der gleiche Zyklus wiederholt.

Es zeigt sich, daß unter diesen Bedingungen die wirkliche Periode T_r des Systems gleich der Summe aus abgekürzter Periode T₁₁ und natürlicher Periode T_n ist. Sie laßt sich wie folgt ausdrucken

T, = T_a + Tn = F_n (2^NK + 2"^+M+p) 6_S T, = F₁₁ · 2* (K + 2^M+/1)

K kann zwischen 0 und 2^M — 1 liegen.

Der Regelbereich ist gegeben durch den Ausdruck:

Die Regelgenauigkeit ist gegeben durch den Ausdruck:

π = (K + 2^M+Py^]

Es sei bemerkt, daß sich zugleich für Δ und für π interessante Werte erzielen lassen, die sich in gleicher Richtung verändern. Wenn man z. B. M = P = 10 macht, was ohne weiteres möglich ist, erhält man etwa:

A = Κ)"¹

π = 10"

was bedeutet, daß sich eine auf 1O^-6, d. h. etwa 0,! Sekunden pro Tag, regelbare elektronische Uhr mit einem Oszillator herstellen läßt, dessen Resonator eine Fertigungsgenauigkeit von 10~³, d. h. I¹V₀₀, hat, ein Ergebnis, das mit auf der Verwendung von Trimmern beruhenden Regelmethoden unmöglich zu erreichen ist.

Fig. 2 zeigt ein Schema einer möglichen Schaltung für den Vergleicher und die binäre Bezugsschaltung. Das Ganze ist hier der Deutlichkeit halber für 4 Bits (M = 4) 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 A'zuführen soll. Die logische Bezugsschaltung ist hier mit Hilfe von Schaltern hergestellt worden, sie kann aber auch aus einem elektronischen Speicher, z. B. einem Schieberegister, bestehen.

F i g. 3 zeigt eine mögliche Schaltung eines in F i g. 1 mit MONO 1 oder MONO 2 bezeichneten monostabilen Multivibrators. Er wird mit Hilfe einer an zwei Stellen an die Teilungskette angeschlossenen Flip-Flop-Schaltung vom Typ D und einer NOR-Torschaltung erzielt. In F i g. 3 sind außerdem die Formen der elektrischen Signale an den verschiedenen Stellen der Schaltung dargestellt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Elektronische Uhr mit einem als Zeitbasis dienenden piezoelektrischen Oszillator und mit einer aus einer Vielzahl von 2:1 Teilern in Form von Flip-Flop-Schaltungen aufgebauten Frequenzteilerkette, deren Ausgangssignal zumindest mittelbar die Anzeigevorrichtung steuert und deren Teilungsfaktor innerhalb bestimmter Grenzen mit Hilfe einer logischen Schaltung einstellbar ist, gekennzeichnet durch

a) einen Digitalvergleicher zum Vergleichen des logischen Zustandes einer binären Bezugsschaltung mil M Bits mit dem logischen Zustand von M Stufen der Teilungskette,

b) eine Schaltung (FFC) zum abwechselnden Sperren und Freigeben des Vergleichers während aufeinanderfolgender Perioden des Ausgangssignals der Teilerkette und

c) eine Schaltung (MONO 2) zum Rücksetzen der M Stufen der Kette auf Null zwecks Abkürzungdernächsten Periode vom Zeitpunkt der Übereinstimmung zwischen dem logischen Zustand der Bezugsschaltung und dem der M Stufen (Fig. 1).

2. Uhr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die binäre Bezugsschaltung aus einer Gruppe von M Schaltern besteht, die den Eingängen des Digitalvergieichers Signale mit den logischen Pegeln 0 oder 1 zuführen.

3. Uhr nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß die binäre Bezugsschaltung aus einem elektronischen Speicher besteht.

4. Uhr nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der elektronische Speicher aus einem Schieberegister besteht.

5. Uhr nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltung (FFC) zum abwechselnden Sperren und Freigeben des Vergleichers eine Flip-Flop-Schaltung ist, die den Sperreingang (BLO) des Vergleichers steuert und selbst abwechselnd durch den Ausgang (S) des Vergleichers und den Ausgang der Teilungskette gesteuert wird, und die Schaltung (MONO 2) aus einem monostabilen Multivibrator besteht (Fig. 2).

6. Uhr nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang (Q) der Flip-Flop-Schaltung über den monostabilen Multivibrator an die Rücksetzeingänge (RESET) einer bestimmten Anzahl von Stufen der Teilungskette angeschlossen ist.