DE2365143C3 - Elektronische Zeitmeßschaltung - Google Patents

Description

aufgebaut, die jeweils dem in Fig,2 dargestellten 7-Segment-Zeiehen ähnlich sind. Jede Ziffer umfaßt sieben einzelne Segmente a bis g, von denen jedes durch Anlegen eines Steuer- oder Ansprechpotentials betätigbar ist Durch selektive Beaufschlagung verschiedener Kombinationen der einzelnen Segmente a bis g lassen sich die Ziffern 0 bis 9 sichtbar machen. In dem Ausführungsbeispiel werden zwei solche Zeichen zur Anzeige der Minuten und zwei Zeichen zur Anzeige der Stunden verwendet Ein spezielles Segment 24o wird in durch das 1-Hz-Signal auf der Leitung 19o mit einer Impulsfolgefrequenz von einer Sekunde ausgesteuert, um dem Träger der elektronischen Uhr visuell anzuzeigen, daß die Uhr richtig funktioniert

Aufbau und Arbeitsweise von Flüssigkristall-Anzeigen sind bekannt; strukturelle Einzelheiten der Anzeige 25 dürften sich daher erübrigen. Anzeigen dieser Art kennzeichnen sich durch relativ geringen Stromverbrauch im Vergleich zu Anzeigen mit lichtemittierenden Dioden oder sonstigen bekannten Typen, die sich zur in Zeitanzeige eignen. Bei einer Flüssigkristall-Anzeige ist es jedoch zum ordnungsgemäßen Betrieb etiorderlich, daß zwischen einem gegebenen Segment 24/ und einer gemeinsamen Elektrode 30 ein verhältnismäßig hohes Ansprechpotential angelegt wird. Darüber hinaus wird ->"> dieses verhältnismäßig hohe Potential meist, wie im folgenden beschrieben, im Wechselspannungsmodus angelegt, um die Lebensdauer der Anzeige zu verlängern.

Wie ersichtlich, bestimmt sich die Anzahl an :·> Pegelumsetzern 2Oo bis 20/, Übertragungsgattern 22o bis 22,- und Anzeigesegment-Steuerelektroden 24o bis 24, nach der Anzahl der gewünschten Bezugszeichen und de" Anzahl von Segmenten pro Zeichen. Um überflüssige Wiederholungen zu vermeiden, ist die Mehrzahl s· die .er Elemente in dem Schaltbild nach F i g. 1 nur durch ge; trichelte Linien angedeutet

η dem Ausführungsbeispiel ist eine Niederspannungsquelle 26 vorgesehen, die eine Versorgungsgleichspannung Vj von ungefähr 1,5 Volt dem Speiseeingang ;:> des Oszillators 10, des Frequenzteilers 14, der Zeitmeßeinheit 16 und des Decoders 18 zuführt. Die Quelle 26 ist ferner an einen geregelten Spannungsumsetzer 27 angeschlossen, der die verhältnismäßig niedrige Spannung der Quelle 26 in eine verhältnismä- -r-Big hohe Spannung umsetzt, die in dtm Ausführungsbeispiel in der Größenordnung von etwa 15 Volt Gleichspannung liegt. Der Ausgang des Spannupgsumsetzers 27 wird auf den Speiseeingang der Pegelumsetzer 2Oo bis 20;, eines i'egelumsetzers 2O₇ und einer vi Formierstufe 29 gegeben. Der Hochspannungsausgang der Formierstufe 29 liegi seinerseits an den Übertragungseingängen der Übertragungsgatter 22o bis 22, und an der gemeinsamen Elektrode 30 der Flüssigkristall-Anzeige 25. i ··,

Der Oszillator 10, der Frequenzteiler 14, die Zeitmeßeinheit 16 und der Decoder 18 werden also mit der verhältnismäßig niedrigen Spannung V_D aus der Quelle 26 gespeist Da diese Schaltungseinheiten dem Fachmann bekannt sind, werden weitere Einzelheiten »n zur Vermeidung von Längen nicht beschrieben. Die Schaltungseinheiten sind, wie bekannt in CMOS-Schaltkreistechnik ausgeführt Bei dieser Technik (CMOS = Komplementäre Metalloxid-Halbleiter) wird mit Transistoren entgegengesetzten Leitungstyps gearbeitet die · < derart angeordnet sind« daß nur während außerordentlich kurzer Schaltperb-Jen Strom fließt Daher erfordern derartige Schaltungen zum ordnungsgemäßen Betrieb außerordentlich geringe Strommengen. Ferner lassen sich solche Schaltungen leicht so entwerfen, daß sie bei außerordentlich niedriger Speisespannung ordnungsgemäß arbeiten. Die Niederspannungsquelle 26 kann also eine beliebige Anzahl handelsüblicher 1,5-V-Gleichspannungsbatterien umfassen.

Beim Betrieb wird der Impulszug aus Hochfrequenz-Bezugsimpulsen aus dem Oszillator 10 durch den Frequenzteiler 14 auf Zeitbezugssignale von 64 Hz, 32 Hz und 1 Hz unterteilt Die 1-Hz-Bezugssignale werden der Zeitmeßeinheit 16 zugeführt die entsprechend diesen Signalen Minuten- und Stunden-Zählwerte erzeugt Die Minuten und Stundensignale aus der Zeitmeßeinheit 16 werden von dem Decoder 18 in Niederpegelsignale auf den Leitungen 19| bis 19, decodiert die die einzelnen zur Erzeugung einer visuellen Zeitanzeige zu betätigenden Segmente 24i bis 24, der Flüssigkristall-Anzeige 2S spezifizieren. Die 1-Hz-NiederpegeI-Bezugssignale auf der Leitung 19₀ dienen ferner dazu, die Betätigung der Sekunden-Segmente 24o der Anzeige 25 zu steuer-

Die Pegelumsetzer 2O₀ bis 20, und 'JOj, die Übertragungsgatter 22o bis 22, und die Formierstufe 29 arbeiten auf dem verhältnismäßig hohen Potential Vn das von dem geregelten Spannungsumsetzer 27 geliefert wird. Die Ptrgelumsetzer 2O₀ bis 20, wandeln die an ihren jeweiligen Eingängen 19obis 19, auftretenden Niederpegel-Steuersignaie in Hochpegel-Steuersignale zur Betätigung der Übertragungsgatter 22o bis 22, um. Der Pegelumsetzer 2O₇ dient in ähnlicher Weise dazu, das auf der Eingangsleitung 19_y vorhandene Niederpegel-Steuersignal von 32 Hz in Hochpegel-Signale von 32 Hz umzuwandeln. Diese Hochpegel-Signale aus dem Pegelumsetzer 20,- werden von der Formierstufe 29 in Hochpegel-Segmentbetätigungssignale von 32 Hz mit scharf begrenzten Vorder- und Rückflanken geformt. Die Segment-Betätigungssignale werden über die Übertragungsgatter 22o bis 22, den Segmenten 24o bis 24, sowie direkt der gemeinsamen Elektrode 30 der Anzeige 25 zugeführt Wie weiter unten im Zusammenhang mit F i g. 5 und 6 im einzelnen beschrieben werden soll, steuern die Übertragungsgatter 22o bis 22, die Phase der durch sie hindurchgeleiteten Segment-Betätigungssignale bezüglich der Phase des Segment-Betätigungssignals, das der gemeinsamen Elektrode 30 direkt zugeführt wird. Sind das Signal für ein gegebenes Segment 24, und das für die gemeinsame Elektrode 30 in Phase, so wird das betreffende Segment nicht beaufschlagt; sind die beiden Signale außer Phase, so wird das Segment betätigt. Auf diese Art und Weise werden je nach den Niederpegel-Ausgangssignalen auf den Leitungen 19, bis 19, aus dem Decoder 18 die verschiedenen Segmente der Minuten- und Stunden-Ziffern betätigt oder nicht; somit werden die verschiedenen Ziffern, die die Minuten und Stunden anzeigen, dargestellt

Bei dem in F i g. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel arbeitet das den Oszillator 10, den Frequenzteiler 14, die Zeitmeßeinheit 16 und den Decoder 18 umfassende Zeitmeßsystem auf dem von der Quelle 26 gelieferten Niederspannungspegel Vn während die Pegelumsetzef 2Oo bis 20> die Übertragungsgatter 22o b» 22; und die Formierstufe 29 auf dem von dem geregelten Spannungsumsetzer 27 gelieferten Hochspannungspegel Vd arbeiten. Infolge des Miederspannungsbetriebs des Zeitmeßsystems sowie der Verwendung einer Schaltung mit komplementären Halbleitern wird der Leistungsverbrauch des kontinuierlich arbeitenden Zeitmeßsy-

stems auf einem Minimum gehalten. Ferner wird auch aufgrund des Schaltungsaufbaus aus komplementären Halbleitern für die auf hohem Pegel arbeitenden Pegelumsetzer 2Oo bis 20> die Gatter 22o bis 22/ und die Formierstufe 29 der Leistungsverbrauch dieses »Hochspannungs«-Teils des Ausführungsbeispiels auf einem Minimum gehalten.

Ein wichtiges Merkmal der vorliegenden Erfindung besteht in dem geregelten Spannungsumsetzer 27, der in dem Blockschaltbild der F i g. 3 veranschaulicht ist. Gemäß F i g. 3 führt eine Konstantstromquelle 41 einem Spannungsabfall-Widerstand 42 einen kleinen konstanten Strom zu. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel hat dieser Strom eine Stärke von etwa I μΑ. Das andere Ende des Widerstands 42 ist mit dem auf verhältnismäßig hoher Spannung liegenden Ausgang Vp eines Spannungsumsetzers 44 verbunden. Da der Strom durch den Widerstand 42 im wesentlichen konstant ist, ist auch der daran auftretende Spannungsabfall konstant. Daher führt eine Änderung in der Größe der Spannung Vp zu einer linearen Änderung in der Spannung V, am Verbindungspunkt45,d.h. V,- V₀' = K(konstant).

Die Spannung V, am Verbindungspunkt 45 wird von einem Schwellendetektor 46 gemessen, der ein Ausgangssignal erzeugt, wenn die Spannung V, unter einen ersten gegebenen Wert absinkt, der angibt, daß die Spannung Vo unter einen zweiten bestimmter, Wert abgesunken ist, der zu dem ersten bestimmten Wert über die Konstante K in Beziehung steht. Ein Meß- und Steuerkreis 47 steuert den Spannungsumsetzer 44 aus, wenn das Ausgangssignal des Detektors 46 angibt, daß die Spannung Vd unter den vorgegebenen Wert gefallen ist. Sodann wandelt der Spannungsumsetzer die verhältnismäßig niedrige Spannung Vp aus der Spannungsquelle 26 in eine verhältnismäßig hohe Spannung Vd um.

Die Konstantstromquelle 41, der Schweilendetektor 46 und der Meß- und Steuerkreis 47 werden von einem Tastkreis 48 in periodischem, unterbrochenen Betrieb gesteuert. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird mit einer Tastfrequenz von 4 Hz gearbeitet, wobei die tatsächliche Tastperiode 1 msec beträgt. Bei Bedarf können auch andere Tastfrequenzen und -Perioden verwendet werden. Wie oben erwähnt, liegen in dem bevorzugten Ausführungsbeispiel die relativen Größen von Vp und Vd auf etwa 1,5 bzw. 15 Volt Gleichspannung.

Der Spannungsumsetzer 44 wandelt ferner die verhältnismäßig niedrige Spannung Vp in eine Vorspannung V₈ um, dere\. Größe etwa 1,5 Volt Gleichspannung unter dem Wert von Vp liegt. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird die Vorspannung Vb von der Spannung Vp abgeleitet und wird somit nicht eigens getastet und nachgeführt Bei Bedarf kann für die Spannung Vb jedoch auch eine eigene Tast- und Nachführschaltung verwendet werden. Wie nachstehend im einzelnen erläutert vermittelt die Spannung Vb eine Vorspannung für den Betrieb der Pegelumsetzer 2Oobis2Oi2O>

F i g. 4 ist eine schematische Darstellung der in dem bevorzugten Ausführungsbeispiel verwendeten tatsächlichen Schaltung für den geregelten Spannungsumsetzer 27 nach F i g. 3. In F i g. 4 sind diejenigen Schaltungselemente, die in F i g. 3 als Blöcke dargestellt sind, mit gestrichelten Kästchen versehen, die die gleichen Bezugsziffern tragen.

So kann der Spannungsumsetzer 44 als zwei Teile umfassend angesehen werden, von denen ein erster Teil in F i g. 4 rechts dargestellt ist und zur Erzeugung der Spannung Vp dient, während ein zweiter Tuil in F i g. 4 links gezeigt ist und die Spannung Vb erzeugt. Der erste Teil umfaßt ein Paar von komplementären MOS-Transistoren 50, 51, die in einer Gegentakt-Pufferschaltung miteinander verbunden sind und einen getrennten Transistor 52 mit einem starken Steuerstrom versorgen.

Der Transistor 52 bildet zusammen mit einer Induktivität 53, einer Gleichrichterdiode 54 und einem Kondensator SS einen sehr wenig gedämpften Schwingkreis, der die verhältnismäßig niedrige Spannung Vo an der Klemme 56 in eine verhältnismäßig hohe Spannung Vp an der Klemme 57 umsetzt. Durch das an den miteinander verbundenen Gate-Elektroden liegende Niederpegel-Eingangsruhesignal ist der Transistor 50 normalerweise im leitenden und der Transistor 51 im nichtleitenden Zustand vorgespannt. Über den Tran«i siuf jC wird somit der Basis des getrennter, Transistors 52 Erdpotential zugeführt, das diesen nichtleitend hält. Ändert sich der Pegel des den Gate-Elektroden der Transistoren 50, 51 zugeführten Signals, so kehren sich die Leitungszustände der beiden Transistoren um. Somit wird das verhältnismäßig niedrige Potential Vp von der Klemme 56 über den Transistor 51 der Basis des übrigen ι Dateneingangs des getrennten Transistors 52 zugeführt, so daß dieser Transistor eingeschaltet wird und Strom durch d.c Induktivität 53 fließt. Kehrt der Pegel des Eingangssignals an den Gate-Elektroden der Transistoren 50, 51 auf den Ruhepegel zurück, so kehren die ι Leitungszustände dieser Transistoren wieder um, und der getrennte Transistor 52 schaltet ab. Die Stromänderung in der Induktivität 53 bewirkt in dieser die Entstehung einer hohen Spannung, die durch die Diode 54 gleichgerichtet und in dem Kondensator 55 gespeichert wird. Nach einigen anfänglichen Zyklen baut sich die Spannung an der Klemme 57 auf den gewünschten Wert Vp auf. Somit wandelt dieser erste Teil des Spannungsumsetzers 44 die verhältnismäßig niedrige Versorgungsspannung Vp von der Niederspannungsquelle 26 in die verhältnismäßig hohe Spannung V₀' an der Klemme 57 um.

Der zweite Teil des Spannungsumsetzers 44 umfaßt einen MOS-Transistor 60 des P-Leitungstyps, der von der Spannung Vo ständig vorgespannt ist und einem Paar von MOS-Transistoren 61, 62 des N-Leitungstyps, die wie gezeigt geschaltet sind. Strom zuführt. Die Source-Elektrode des unteren Transistors 62 liegt dabei an der Spannung Vp. Die Transistoren 61,62 bilden für die Spannung Vo' einen konstanten Spannungsabfall zur Erzeugung der Vorspannung an der Klemme 63.

Die Konstantstromquelle 41 umfaßt einen MOS-Transistor 65 des N-Leitungstyps und ein Paar von MOS-Transistoren 66, 77 des P-Leitungstyps, die gegenüber den Transistoren 60, 61, 62 spiegelbildlich geschaltet sind und für die Gate-Elektrode eines weiteren MOS-Transistors 68 des P-Leitungstyps eine konstante Spannung erzeugen. Der Transistor 68 versorgt eine erste Klemme des Widerstands 42 mit konstantem Strom, wenn ein erster MOS-Schalttransistor 70 des P-Leitungstyps auf die im folgenden beschriebene Art und Weise eingeschaltet ist Wie oben erwähnt liegt die andere Klemme des Widerstands 42 an der Spannung Vd'.

Der Meß- und Steuerkreis 47 umfaßt ein Paar von MOS-Transistoren 72, 73 des P-Leitungstyps, die durch die an ihren Gate-Elektroden liegende Spannung V_D ständig vorgespannt sind, solange ein zweiter MOS-Schalttransistor des P-Typs auf die im folgenden

beschriebene Art und Weise eingeschaltet ist. Der Transistor 72 dient als Last für einen MOS-Transistor 75 des P-Leitungstyps. der als Source-Folgcr geschaltet ist, während der Transistor 73 als Last für einen MOS-Meßlransistor 76 des N-Typs dient. Der Transistör 7* vermittelt einen Spannungsabfall auf die Spannung V, am Verbindungspunkt 45, so daß die Spannungsänderungen an der Gate-Elektrode des Meßtransistors 76 in einen gewissen Arbeitsbereich fallen. Außerdem gewährleistet der von dem Source-Folger-Transistor 75 erzeugte Spannungsabfall, daß die Spannung am Vcrbindungspunkl 45 innerhalb eines Bereichs bleibt, der die Arbeitsweise des Transistors 68 im Konstantstrom-Modus aufrechterhält. Solange die Spannung Vn' nicht unter dem vorgegebenen Schwellcnwcrt liegt, ist der Meßtransistor 76 durch die an seiner Gatc-Eleklrodc liegende Spannung im nichtleitenden Zustand vorgespannt. Sinkt jedoch die Spannung Vi) unter den besagten Schwellenwert, so wird der Mcßtran.sistor 76 leitend, und das an seinem Ausgang liegende normalerweise hohe Signal fällt auf einen niedrigen Pegel.

Der Ausgang des Meßtransistors 76 ist direkt mit einer ersten Datencingangsleitung eines Flip-Flops 77 sowie über einen Inverter 78 mit dem weiteren Dalcneingang gekoppelt. Das Eingangs-Taktsignal für das Flip-Flop bildet ein Impulszug von 4-Hz-lmpulsen mit jeweils einer Länge von etwa 1 msec, die aus dem im einzelnen weiter unten beschriebenen Tastkreis 48 stammen. Das Flip-Flop 77 erzeugt ein Steuereingangssignal für ein invertierendes ODF.R-Gattcr 80, das an den ersten Teil des Spannungsumsetzers 44 Steuersignale abgibt.

Der andere Eingang des invertierenden ODER-Gatters 80 stammt von dem Ausgang eines invertierenden UND-Gatters 82. Die Eingangssignale für das invertierende UND-Gatter 82 sind ein 256-Hz- und ein 32-kHz-lmpulszug, wobei diese beiden Signale aus geeigneten Stufen des Frequenzteilers 14 nach Fig. 1 stammen, sowie das Ausgangssignal feines Flip-Flops *o 83, bei dem es sich im bevorzugten Ausführungsbeispiel um ein /K-Flipflop handelt. Der 256-Hz-lmpulszug liegt direkt an einem ersten Dateneingang sowie über einen Inverter 84 an einem zweiten Dateneingang des Flip-Flops 83. Wie ersichtlich, bilden der Inverter 84, das Flip-Flop 83 und das invertierende UND-Gatter 82 einen Vorderflanken-Detektor, der ins Negative verlaufende Impuissignalc mit einer Dauer von etwa 15 μ5εΰ jeweils mit einer Frequenz von 256 Hz aus den 256-Hz- und 32-kHz-Impulszügen erzeugt. Befindet sich das ^r>" Flip-Flop 77 in gelöschtem Zustand, so IaDt das invertierende ODER-Gatter 80 diese Impulssignale zu den zusammengeschlossenen Gate-Elektroden der Transistoren 50, 51 des Spannungsumsetzers 44 hindurch. Ist dagegen das Flip-Flop 77 gesetzt, so sperrt ■>"> das invertierende ODER-Gatter 80 diese Impulssignale von dem Spannungsumsetzer 44 ab.

Der Tastkreis 48 umfaßt einen Tastimpulsgenerator, einen Inverter 86 und die obenerwähnten ersten und zweiten Schalttransistoren 70, 71. Der Tastimpulsgene- w rator seinerseits umfaßt ein Flip-Flop 87, bei dem es sich in dem bevorzugten Ausführungsbeispiel um ein /-K-Flip-Flop handelt, einen Inverter 88 und ein invertierendes ODF.R-Gatter 89. Ein 4-Hz-lmpulszug liegt direkt an einem ersten Dateneingang sowie über *>"> dem Inverter 88 an dem weiteren Dateneingang des Flip-Flops 87. Dem Takteingang dieses Rip-Flops 87 wird ein 1024-Hz-Impulszug zugeführt. Beide Impulszüge stammen aus geeigneten Stufen des Spannungsteilers 14 nach Fig. 1. Der (^-Ausgang des Flip-Flops 87 wird gemäß dem invertierten 4-Hz-lmpulszug mit dem Eingang des invertierenden ODER-Gatters 89 verbunden. Wie ersichtlich, bilden der Inverter 88, das Flip-Flop 87 und das invertierende ODER-Gatter 89 einen Vorderflankendctektor, der aus den 4-Hz- und 1024-Hz-Impulszügen ins Positive gehende Impuissignalc mit einer jeweiligen Dauer von etwa 1 msec und einer Frequenz von 4 Hz erzeugt. Wie oben erwähnt, liegen diese Impuissignalc direkt an dem Takteingang des Flip-Flops 77. Auf diese Weise wird das Eingangssignal des Flip-Flops 77 viermal pro Sekunde getastet. Die Impulssignale werden ferner durch den Inverter 86 invertiert und den Gatc-Elcktroden der Schalttransistoren 70,71 zugeführt. Da die Schalttransistoren 70,71 die Konstantstromquclle 41 bzw. den Schwellendetektor 46 ansteuern, werden diese Schaltkreise synchron mit der Tastung des Flip-Flops 77 gleichzeitig jeweils 1 msec lang mit einer Frequenz von 4 Hz angesteuert.

Wird beim Betrieb Spannung aus der Spannungsquelle 26 der F i g. I an die verschiedenen V/rKlemmen des geregelten Spannungsumsetzers 27 angelegt, so liegt die Spannung an der Klemme 57 zunächst unter dem vorgegebenen Schwellenwert. Der Meßtransistor 76 ist in seinem leitenden Zustand vorgespannt, und das Flip-Flop 77 wird durch den ersten Taktimpuls gelöscht und steuert dadurch das invertierende ODER-Gatter 80 an. Das Gatter 80 läßt den 256-Hz-lmpulszug aus impulsen mit einer Dauer von 15 μββΰ hindurch, so daß der Spannungsumsetzer 44 angesteuert wird und die Spannung Vp erzeugt. Mit Ansteigen der Spannung an dem Verbindungspunkt 45 gemäß der Spannung an der Klemme 57 wird schließlich der Source-Folger-Transistor 75 in seinen leitenden Zustand vorgespannt; der Meßtransistor 76 bleibt jedoch leitend und läßt das Flip-Flop 77 gelöscht. Erreicht die Spannung an der Klemme 57 den vorgegebenen Schwellenwert, so wird der Meßtransistor 76 abgeschaltet, und das Flip-Flop 77 wird durch den folgenden Taktimpuls gesetzt und blockiert das invertierende ODER-Gatter 80. Danach bleibt das Gatter 80 blockiert, bis die Spannung Vo' unter den vorgegebenen Schwellenwert absinkt, wodurch der Meßtransistor 76 eingeschaltet wird und seinerseits bewirkt, daß das Flip-Flop 77 durch den anschließenden Taktimpuls gelöscht wird. Während dieses Vorgangs folgt die Spannung Vb an der Klemme 63 den Änderungen der Spannung an der Klemme 57.

Der oben beschriebene Betrieb des geregelten .Spannungsumsetzers 27 läuft entsprechend der Arbeitsweise der Schalttransistoren 70, 71, die die Konstantstrosnquelle 41 und den Schwellendetektor 46 nur in Intervallen von jeweils 1 msec mit einer Frequenz von 4 Hz ansteuern, intermittierend ab.

Wie ersichtlich, vermittelt der geregelte Spannungsumsetzer 27 eine außerordentlich gut geregelte Spannung Vd und eine im Verhältnis dazu stehende Vorspannung Vb, die für den Betrieb der Pegelumsetzer 2O₀ bis 20„ 20, sowie der Flüssigkristall-Anzeige 25 erforderlich ist. Der intermittierende Betrieb der Konstantstromquelle 41 und des Schwellendetektors 46, das von dem Tastkreis 48 vermittelte kleine Tastverhältnis und die Aussteuerung des Spannungsumsetzers 44 mittels komplementärer Transistoren tragen dazu bei, den Leistungsverbrauch des geregelten Spannungsumsetzers 27 bedeutend unter denjenigen Wert zu verringern, wie er für bekannte Spannungsumsetzer zur Umwandlung einer verhältnismäßig niedrigen Span-

nung in eine verhältnismäßig hohe Spannung erforderlich ist. Der Energiebedarf des geregelten Spannungsumsetzers 27 wird ferner dadurch vermindert, daß die Flip-Flops 77, 83 und 87 in CMOS-Schaltkreistechnik ausgeführt sind und daß für die symbolisch dargestellten Inverter und Gatter MOS-Schaltelemente verwendet werden.

Fig.5 veranschaulicht eine in dem bevorzugten Ausführungsbeispiel angewandte tatsächliche Schaltung für den Pegelumsetzer 20> die Formierstufe 29, den Pegelumsetzer 20, und das Übertragungsgatter 22„ wobei diese Schaltung typisch ist für sämtliche Pegelumsetzer 2Oi bis 20, und Übertragungsgatter 22, bis 22j. In F i g. 5 sind diejenigen Schaltungsteile, die die betreffenden Blöcke nach F i g. I darstellen, von gestrichelten Kästchen umgeben, die die gleichen Bezugszeichen tragen.

Der Pegelumsetzer 20, umfaßt zwei Paare von MOS-Transistoren 100, 101 und 102, 103 vom P-Leitungstyp, wobei die beiden Transistoren jedes Paares an ihren Source- und Drain-Elektroden miteinander verbunden sind, wie dies in Fig. 7 dargestellt ist. Die miteinander verbundenen Source-Elektroden jedes Transislorpaars sind geerdet. Die Gate-Elektrode des inneren Transistors jedes Paars ist jeweis mit dem gemeinsamen Drain-Anschluß des jeweiligen anderen Paares verbunden. An den Gate-Elektroden der äußeren Transistoren 100,103 liegen die 32-Hz-Bezugssignale, die über die Leitung 19, von dem Frequenzteiler 14 der Fig. 1 bzw. vom Ausgang eines Inverters 105 zugeführt werden. Der gemeinsame Drain-Anschluß jedes Transistorpaars ist an den Drain-Anschluß eines jeweils zugehörigen MOS-Transistors 106, 107 des N-Leitungstyps angeschlossen. Die Gate-Elektrode jedes Transistors 106, 107 ist mit der Gate-Elektrode des zugehörigen inneren Transistors 101 bzw. 102 verbunden. In dem linken Hauptzweig des Pegelumsetzers 2Oy ist eine Konstantstromquelle mit einem MOS-Transistor 108 des N-Lcitungstyps vorgesehen, an dessen Source-Elektrode die verhältnismäßig hohe Spannung Vn und an dessen Gate-Elektrode die Vorspannung V₁₁ zur ständigen Vorspannung des Transistors liegt. Eine identisch aufgebaute Konstantstromquelle mit einem MOS-Transistor 109 des N-Leitungstyps ist in dem rechten Zweig des Pegclumsetzers 2O₇ vorgesehen.

Beim Betrieb wird, wenn die Steuerspannungen V_n' und Vb an den Transistoren 108, 109 liegen und das Niederpegel-Eingangssignal an der Klemme 19, sich auf dem »wahren« Pegel befindet, der Transistor 100 nichtleitend. Das invertierte Eingangssignal von dem Inverter 105 ist »falsch«, und der Transistor 103 ist daher in seinem leitenden Zustand vorgespannt. Der Ausgang Qj liegt auf Erdpotential und spannt den Transistor 101 in seinen nichtleitenden und den Transistor 106 in seinen leitenden Zustand vor. Da der Transistor 106 somit leitend ist und ebenso auch der Transistor 108 durch die Spannung V_B in seinem leitenden Zustand vorgespannt ist, liegt der Ausgang Q₁ auf der Spannung Vd; dadurch wird der Transistor 102 leitend und der Transistor 107 nichtleitend.

Wird das Niederpegel-Eingangssignal an der Klemme 19, »falsch«, so wird der Transistor 100 in seinen leitenden Zustand und der Transistor 103 in seinen nichtleitenden Zustand vorgespannt Da der Transistor 100 leitend ist, steigt die Spannung am Ausgang Q, auf Erdpotential und schaltet den Transistor 102 ab sowie den Transistor 107 ein. Beim Abschalten des Transistors 102 fällt die Spannung am Ausgang Q, auf Vn, der Transistor 100 «ehaltet ein und der Transistor 106 aus. Die Spannung bleibt in diesem Zustand »eingeklinkt«, bis das Eingangssignal auf der Leitung 19, »wahr« wird.

Wird das Niedcrpegel-Eingangssignal auf der Leitung 19, »wahr«, so schaltet der Transistor 100 ab, und der Transistor 103 wird leitend. Dabei steigt die Spannung am Ausgang ^-auf Erdpoteniial, der Transistor 101 wird nichtleitend, und der Transistor 106 wird leitend. Da der

ίο Transistor 106 leitend wird, fällt die Spannung am Ausgang Q, auf Vp, der Transistor 102 schaltet ein, und der Transistor 107 schaltet ab. Die Schaltung bleibt wiederum in diesem Zustand »eingeklinkt«, bis das Eingangssignal auf der Leitung 19, wiederum »falsch«

is wird. Die weitere Arbeitsweise des Pegelumset/crs 20, setzt sich wie oben beschrieben fort.

Wie ersichtlich, vermittelt der Pcgelumsctzcr 20, ^n den Ausgängen Q₁, Q₁ gegenphasige Ausgangssignaie. deren Wert in Abhängigkeit von einem Eingangssignal

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negativen Spannung V» und Erdpotential liegt, wobei das Eingangssignal zwischen der verhältnismäßig geringen negativen Spannung Vn und Krdpotential schwankt. Wie oben erwähnt, erstreckt sich in dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Größenbereich des Eingangssignals zwischen etwa 0 und 1,5 Volt bei Spannung, während der Größenbereich des Ausgangssignals zwischen etwa 0 und 15,0 Volt Gleichspannung liegt. Der Pcgelkonverlcr 20, sowie die Pegelkonverter 2O| bis20,gestattenesalso, dußcler Niederspannungsteil des elektronischen Zeitmeßsystems die auf verhältnismäßig hoher Spannung arbeitende Anzeige steuert. Dabei ist wichtig, festzustellen, daß der Pegelumsetzer 20, infolge des komplementären Aufbaus der Schaltung nur während der äußerst kurzen Übergangsperioden, in denen die Schaltung zwischen den entgegengesetzten »eingeklinkten« Zuständen umschaltet. Strom zieht. Der Stromverbrauch des Pegelumsctzers 20, ist daher außerordentlich gering und diskontinuierlich; er liegt beim Umschalten in der Größenordnung von 1 μΑ.

Die Ausgangssignaie des Pegelkonverters 20, an den Ausgängen Q₁ und Q₁ werden auf die Steuer Gate-Elektroden der komplementären MOS-Transistoren 110, 111, 112 bzw. 113 der Formierstufe 29 gegeben. Die Stufe 29 umfaßt ein CMOS-Flip-Flop mit Setz/Lösch-Funktion, das dazu dient, die Vorder- und Rückflanken der Ausgangsimpulse des Pegelkonverters 20, steil zu machen. Wie durch die Impulsdiagramme Bund Cder F i g. 6 dargestellt^umfassen die Ausgangssignale an den Ausgängen Qn, Qn der Formierstufe 29 zwei gegenphasige 32-Hz-Rechteckimpulszüge, deren Amplituden zwischen der Spannung V_n' und Erdpotential liegen. Das Ausgangssignal an Qn wird direkt auf die gemeinsame Elektrode 30 der Flüssigkristall-Anzeige 25 gekoppelt. Die Ausgangssignale an Qn und an <3S werden ferner auf die Übertragungsgatter 22o bis 22, gegeben, von denen in F i g. 5 nur eines gezeigt ist.

Das Übertragungsgatter 22, umfaßt nach F i g. 5 zwei Paare von parallelgeschalteten CMOS-Transistoren 120, 121 und 122, 123. Die Gate-Elektroden der CMOS-Transistoren 121, 122 sind gemeinsam an den Ausgang Q₁ des Pegelumsetzers 20, angeschlossen. In ähnlicher Weise sind die Gate-Elektroden der Transistoren 120, 123 gemeinsam an die Ausgangsklemme Q, des Pegelumsetzers M/angeschlossen. Ist das Signal am Ausgang Qi hoch (auf Erdpotential) und das Signal am Ausgang Qi niedrig (auf Vn), so sind die Transistoren 120 und 121 eingeschaltet, und das Signal am Ausgang

Q& wird an das An/eigcsegment 24, hindurchgelassen. Ist dagegen das Signal am Ausgang Q~\ hoch und das am Ausgang Q\ niedrig, so sind die Transistoren 122 und 123 eingeschaltet, und das Signal am Ausgang Q^> wird an das Anzeigesegment 24, hindurchgelasscn.

Der Pegelumsetzer 20, ist dem oben beschriebenen Pegelumsetzer 20y in seinem Aufbau im wesentlichen identisch. Bei dem Eingangssignal des Pegelkonverters 20/ handelt es sich jedoch um ein relativ niederfrequentes Zeitsteuersignal aus dem Decoder 18, wobei daran erinnert wird, daß die Steuersignale für die die Hiner-Minutenziffern darstellenden Segmente sich mit einer maximalen Frequenz von I pro Minute und für die die Zehner-Stundenziffern darstellenden Segmente mit einer minimalen Frequenz von I pro 12 Stunden ändern. Aufgrund der verhältnismäßig niedrigen Frequenz der an dem Pegelumsetzer 20, liegenden Steuersignale ist es nicht erforderlich, die Ausgangssignalc an den Klemmen Q\, (^dieses Elements zu formieren.

Die Ausgangssignalc des Pcgclumsetzcrs 20, steuern die Phase f'is an dem Anzeigeelement ?4, liegenden kommutierten Rechtcckwellensignals relativ zu der Phase des an der gemeinsamen Elektrode .30 liegenden kommutierten Rechteckwellensignals. Dies wird am besten anhand von Fig. 6 aufgezeigt. Das Impulsdiagramm Λ gibt das auf verhältnismäßig niedrigem Pegel liegende 32-Hz-Rechtcck-Eingangssignal des Pcgelumselzers 20, wieder, das auf der Leitung 19_y vorhanden ist. Wie oben erwähnt, stellen die Inipulsdiagramme ßund C die auf verhältnismäßig tmhem Pegel liegenden 32-Hz-Ausgangssignale der Formierstufe 29 dar, die an den Ausgangsklemmen Q& bzw. Qn vorhanden sind. Das Impulsdiagrumm D stellt das auf der Leitung 19, vohandcnc, auf relativ niedrigem Pegel liegende Steuersignal für den Pegeluinsctzer 20, dar. Die Impulsdiagramme if und Fgeben die auf verhältnismäßig hohem Pegel liegenden Ausgangssignale des Pc ^elumsetzers 20, wieder, die an den Ausgängen Q₁ bzw. Q, vorhanden sind. Das Impulsdiagramm G zeigt das Ausgangssignal des Übertragungsgatters 22,, das dem Anzeigesegment 24,zugeführt wird. Das Impulsdiagramm // zeigt das Signal an dem Ausgang Q^, das der gemeinsamen Elektrode 30 der Anzeige 25 zugeführt wird. Aus Platzgründen sind sämtliche obigen Impulsdiagramme in abgekürzter Form wiedergegeben, was durch den unterbrochenen Mittelabschnitt angedeutet ist.

Sind die Impulszüge G und // in Phase, so ist der Potentialunterschied zwischen dem Anzeigesegment 24, und der gemeinsamen Elektrode 30 gleich 0, und das Segment 24, ist abgeschaltet. Sind dagegen die Impulszüge G und // außer Phase, so besteht zwischen dem Segment 24, und der gemeinsamen Elektrode 30 ein Ansprechpotential, und das Segment 24, ist eingeschaltet. Die relative Phase der Impulszüge G und H wird durch den Steuer-Impulszug D bestimmt. Entspricht dieses Signal dem »wahren« Wert, so sind die Impulszüge E und F »falsch« bzw. »wahr«, und der Impulszug G folgt dem Impulszug H. Ist dagegen der Impulszug D »falsch«, so sind die Impulszüge fund F »wahr« bzw. »falsch«, und der Impulszug G hat die entgegengesetzte Phase wie der linpulszug H. Ist das Segment 24, ursprünglich abgeschaltet, was durch den schraffierten Bereich angedeutet ist, so wird es beim

ίο Übergang des Impulszuges Din den »falschen« Zustand eingeschaltet, wie dies durch den nichtschraffierten Hereich angegeben ist. Wird der Impuls/iig D wieder »wahr«, so schaltet das Segment 24, wieder .ib.

In dem Ausführungsbeispiel arbeilet jedes .Segment 24, im Wcchselstroinniodiis, wobei die Potcntialrichtung zwischen dem Segment und der gemeinsamen Elektrode 30 mit der willkürlichen Frequenz von 32 M/. alterniert. Dieser Arbeitsmodus wird für sämtliche Zeichensegmente angewandt, um die Lebensdauer der Flüssigkristall-Anzeige 25 zu verlängern. Wird das Ausführungsbeispiel zur Aussieuerung sonstiger Arten von mit verhältnismäßig hoher Spannung arbeitenden Anzcigeeinrichlungcn verwendet, so mag der Wechselstrombetrieb für eine leistungsfähige Betätigung gegebenenfalls nicht erforderlich sein. In derartigen Fällen können die Anzeigesegmente 24 und die gemeinsame Elektrode 30 direkt von den Pegclumsetzern 2O_n bis 20, ausgesteuert werden, und der Pegelumsetzer 20,, die Übertragungsgatter 22_n bis 22, sowie die Formierstufe

jo 29 können weggelassen werden.

Das gesamte hier beschriebene elektronische Zeitmeß- und Anzeigesystem laßt sich praktisch auf einem einzelnen integrierten Schaltungsplättchen herstellen, dessen Umriß durch die strichpunktierte Linie C in Fig. I angedeutet ist. Wie in Fig. 1 veranschaulicht, sind die einzigen Komponenten, die nicht auf dem einzelnen integrierten Schaltungsplättchen enthalten sind, der Oszillatorkristall 12, die Niederspannungsquelle 26, die bei Verbrauch ersetzt werden muß, und ein Teil des geregelten Spannung.,Umsetzers 27. In Fig. 4 sind diejenigen Elemente des geregelten Spannungsumsetzers 26, die nicht auf dem einzelnen integrierten Schaltungsplättchen untergebracht sind, ebenfalls mit einer strichpunktierten Linie gekennzeichnet;!.? handelt sich dabei um den Widerstand 42 und die getrennten Elemente des Spannungsumsetzers 44, d. h., den Transistor 52, die Induktivität 53, die Diode 54 und den Kondensator 55. Somit sind also nur 7 Schaltungselemente, von denen eines leicht auswechselbar sein muß,

so außerhalb des Schaltungsplättchens vorgesehen.

Der in dem System benützte geregelte Spannungsumsetzer vermittelt eine gut geregelte Quelle verhältnismäßig hoher Spannung zum Betrieb der Pegelumsetzer und der Anzeige, wodurch der leistungsarme Betrieb des Systems gefördert wird.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Elektronische Zeitmeßschaltung mit einer Niederspannungsquelle, einem Spannungsumseteer, ^r> der die Spannung der Niederspannungsquelle in eine zur Betätigung einer Zeitanzeige erforderliche höhere Spannung umsetzt, einem Taktgeber zur Erzeugung von Niederspannungs-Taktimpulsen, einem mit dem Taktgeber verbundenen Zeitsignal- mi generator zur Erzeugung von Niederspannungs-Zeitsignalen, und einer mit dem Zeitsignalgenerator und dem Spannungsumseteer verbundenen Pegelumseteer-Einrichtung, die in Abhängigkeit von den Zeitsignalen Zeitanzeige-Betätigungssignale auf r> dem Pegel der höheren Spannung erzeugt, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungsumseteer (27) einen Schwellenwertdetektor (46), der ein Ausgangssignal erzeugt, wenn die höhere Spannung (Vd') unter einen vorgegebenen Schwel- >o lenwert absinkt, einen Tastkreis (48), der das Ausgangssignal des Schwellenwertdetektors (46) periodisch tastet sowie einen Steuerkreis (47) umfaßt, der ein Steuersignal zur Betätigung eines Spannungsumsetzerkreises (44) in Abhängigkeit von r. dem getasteten Ausgangssignel des Schwellenwertdetektors (46) erzeugt

2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Tastkreis (48) eine Einrichtung (87) umfaßt, die die Dauer jeder Tastperiode auf einen im u> Vergleich zu den dazwischenliegenden Intervallen kleinen Wert begrenzt

3. Schaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dauer jeder Ts^periode etwa 1 ms und das jeweils dazwischenliegende Intervall etwa >> 250 ms betragen.

4. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Pegelumsetzer-Einrichtung (20) einen direkt mit dem Taktgeber (10, 12,14) verbundenen Pegelumsetzer(2O₀) umfaßt, der μ die Niederspannungs-Taktimpulse in Anzeige-Betätigungssignale umsetzt, die anzeigen, daß dit elektronische Zeitmeßschaltung in Betrieb ist

5. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Pegelumsetzer- r. Einrichtung (20) mehrere Pegelumsetzer (2O₀... 20,) umfaßt, von denen jeder mit einem der Zeitsignale beaufschlagbar ist und durch Übertragungsgatter (22o ■ ■ · 22«) auf ein jeweils zugeordnetes Element (24o ... 24,) der Zeitanzeige (25) wirkt sowie einen w weiteren direkt mit dem Taktgeber (10, 12, 14) verbundenen Pegelumsetzer (2O₇), der ein Bezugssignal auf dem Pegel der höheren Spannung zur Aufsteuerung der Übertragungsgatter (22« ... 22,) erzeugt ν,

6. Schaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß an den weiteren Pegelumsetzer (20;) eine Formierstufe (29) angeschlossen ist, die das Bezugssignal formiert

7. Schaltung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch w gekennzeichnet, daß der weitere Pegelumsetzer (20,) das Bezugssignal periodisch mit einer Frequenz erzeugt, die wesentlich höher ist als die Frequenz der Zeitanzeige-Betätigungssignale.

Eine elektronische ZeitmeBschaltung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs t ist aus der deutschen Offenlegungsschrift 22 06 102 bekannt. Diese Schaltung weist zwei Teile auf, von denen der eine zur Erzeugung von Bezugsimpulsen auf verhältnismäßig niedriger Spannung von 1,2 bis 3,5 V arbeitet, während der andere Teil mit einer verhältnismäßig hohen Spannung von 10 bis 30 V betrieben wird, um Zeitanzeigesignale zu erzeugen, die eine zur Steuerung der Flüssigkristallanzeige ausreichende Größe haben. Bei der bekannten Schaltung ist die »Hochspannung« im wesentlichen proportional der Batteriespannung, so daß, will man auch bei absinkender Batteriespannung noch eine ausreichende »Hochspannung«: sicherstellen, bei Beginn der Lebensdauer der Batterie eine an sich unnötig hohe »Hochspannung« in Kauf genommen werden muß.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Zeitmeßschaltung mit geringerem Energiebedarf zu schaffen.

Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus dem Kennzeichen des Patentanspruchs 1. Die danach vorgesehene Spannungsregelung der »Hochspannung« führt insofern zu einer Energieersparnis gegenüber der bekannten Schaltung, als die »Hochspannung« nicht höher sein muß als unbedingt erforderlich.

Die Erfindung wird in der nachstehenden Beschreibung eines bevorzugten Ausfuhrungsbeispiels anhand der Zeichnungen näher erläutert In den Zeichnungen zeigt

F i g. 1 ein Gesamtschallbild,

F i g. 2 eine 7-Segment-Ziffernanzeige,

Fig.3 ein Blockschaltbild für die bevorzugte Ausführungsform eines in der Schaltung nach F i g. 1 verwendeten geregelten Spannungsumsetzers,

Fig.4 ein Schaltbild des Spannungsumsetzers nach Fig. 3.

Fi g. 5 ein Schaltbild eines Paars von Pegelumselzern, eines Obertragungsgatters und einer Formierstufe und

Fig.6 ein Impulsdiagramm zui Erläuterung der Arbeitsweise dieser Schaltung.

Das in F i g. 1 gezeigte Ausfühningsbeispiel der Erfindung eignet sich insbesondere zur Verwendung als elektronische Uhr. Ein Oszillator 10 mit einem Steuerkristall 12 führt dem Eingang eines Frequenzteilers 14 einen Impulszug aus Hochfrequenz-Bezugsimpulsen, z. B. auf einer Frequenz von 32 768 Hz, zu. Der Frequenzteiler 14 teilt das Hochfrequenzbezugssignal auf Bezugssignale von 64 Hz, 32 Hz und 1 Hz. Die Bezugssignale mit 64 Hz und I Hz werden auf den Eingang einer Zeitmeßeinheit 16 gekoppelt, die einem Decoder 18 Ausgangssignale zuführt, die Minuten und Stunden angeben.

Der Decoder 18 ist mit einer Vielzahl von Ausgangsleitungen 19| bis 19, versehen, die jeweils an eine Niederspannungs-Steuereingangsklemme eines anderen Pegelumsetzers 2Oi bis 20, angeschlossen sind. Das 1-Hz-Ausgangssignal des Frequenzteilers 14 ist ferner direkt auf einen Pegelumsetzer 2Oo gekoppelt

Die Ausgänge der einzelnen Pegelumsetzer 20ο bis 20, sind jeweils mit den Steuereingingen einzelner Übertragungsgatter 22o bis 22, verbunden. Die Ausgänge der einzelnen Übertragungsgatter 22o bis 22, stellen jeweils ein auf hohem Pegel liegendes Signal zur Aussteuerung jeweils einzelner von mehreren Anzeigesegmcnl-Steuerelektroden 24o bis 24/ einer Flüssigkri stall-Anzeige 25 dar.

In dem Ausfuhrungsbeispiel ist die Flüssigkristall-Anzeige 25 aus mehreren 7-Segment-Ziffernanzeigen