DE2833653A1 - Frequenzeinstellschaltung - Google Patents

Description

Fairchild Camera and Instrument £0 0000J

Corporation

464 Ellis Street

Mountain View, California 94040, V.St.A. F 7838

Frequenzeinsteilschaltung

Die Erfindung bezieht sich auf elektronische Digitalschaltungen, und sie bezieht sich insbesondere auf ein Verfahren und eine Einrichtung zur Einstellung der durchschnittlichen Frequenz von Impulsen, xvelche einer elektronischen Schaltung zugeführt werden.

Digitale Schaltungen, welche periodische elektronische Impulssignale anderen elektronischen Schaltungen liefern, sind in der Digitaltechnik bekannt, und sie werden in zahlreichen Einrichtungen verwendet, beispielsweise in elektronischen Zeitgeräten. Bei bekannten Einrichtungen dieser Art wird im allgemeinen ein stabiler Hochfrequenzoszillator, vorzugsweise ein Quarzkristall, verwendet, um die Frequenz von Impulsen oder elektronischen Signalen zu steuern, welche einer anderen Schaltung geliefert werden, die die Impulse für eine Zeitschaltung, zur Zählung oder für verschiedene andere Zwecke benutzt. Da die Resonanzfrequenz von Quarzkristallen von einem zum anderen differiert, wird im Regelfall ein Kondensator zusammen mit dem Quarzkristall oder dem Oszillator verwendet, um die Schwingungsfrequenz zusätzlich einzustellen und zu stabilisieren. Im allgemeinen hat einer.dieser Kondensatoren einen festen Wert, während der andere variabel ist. Beim Zusammenbau der betreffenden Schaltung oder des Produkts, bei dem die Frequenzquelle Verwendung findet, wird der variable Kondensator derart eingestellt, daß der Oszillator den genauen Wert der gewünschten Schwingungsfrequenz erzeugt. Ein Wachteil eines solchen Vorgehens ist, daß diese Art der Einstellung zeitaufwendig ist, und der erforderliche variable Kondensator beansprucht viel Platz und bedingt verhältnismäßig hohe Kosten. Diese Nachteile treten besonders in Erscheinung bei elektronischen Armbanduhren, da die Quarzkristall-Frequenzquelle und alle damit zusammenarbeitenden Komponenten in einer hinreichend kleinen und leichten Kapsel, welche am Handgelenk getragen wird, .untergebracht werden müssen. ,

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Die besondere Bedeutung der genauen Einstellung der von einer Frequenzquelle gelieferten Frequenz tritt besonders im Zusammenhang mit elektronischen Zeitgeräten in Erscheinung. Bei den bekannten Armbanduhren oder anderen elektronischen Zeitgeräten liefert gewöhnlich ein-stabiler Hochfrequenzoszillator Signale zu einer Reihe von Frequenzteilern oder Zählern, v/elche die Frequenz der Signale progressiv auf einen gewünschten Wert herabsetzen, beispielsweise 1 Hertz. Das 1 Hertz-Signal kann dann benutzt werden, um eine Reihe von Z aiii er η zu steuern, mit einem ersten Zähler mit 60er-Einteilung, welcher eine Zählung liefert, die für die genaue Zahl der in einer gegebenen Minute abgelaufenen Sekunden repräsentativ ist, und einem zv/eiten Zähler mit 60er-Einteilung, welcher von dem ersten Zähler· gesteuert, wird und eine Zählung liefert, welche für die genaue Zahl der Minuten der Stunde repräsentativ ist. Ein Zähler mit 12er-Einteilung, v/elcher von dem Minutenzähler gesteuert wird, liefert eine Zählung, welche für die genaue Stunde des Tages repräsentativ ist, und -erforderlichenfalls können zusätzliche Zähler vorgesehen sein, um die Tage der Woche, die Tage des Monats, die Monate des Jahres, die Schaltjahre usw. zu zählen. Im Regelfall v/erden die Ausgänge jedes der Zeitgerätzähler decodiert und in eine Anzeigeeinrichtung eingegeben, beispielsweise eine Anzeigeeinrichtung mit Flüssigkristallen oder lichtemittierenden Dioden. Der dabei erhaltene visuelle Ausgang stellt eine Zeitanzeige dar. Ein Beispiel einer nach dem Stande der Technik bekannten elektronischen Armbanduhr, bei welcher eine Serie von Frequenzteilern oder Zählern verwendet wird, ist in der US-Patentschrift 3 815 354 (Sirocka u.a.) enthalten. . ' · -

liegen der außerordentlich hohen Genauigkeit des Hochfrequenzsignals, welches von dem Quarzkristall und der mit ihm zusammenarbeitenden Schaltung zur Verfugung gestellt wird, sind elektronische Zeitgeräte, v/elche mit der beschriebenen Schaltung ausgestattet sind, im Regelfall wesentlich genauer al.s die althergebrachten Arbeitsweisen der mechanischen Armband- und sonstigen Uhren. Hinzu kommt, daß vollelektronische Systeme einfacher herzustellen sind, eine viel längere Lebensdauer haben und gewöhnlich auch niedrigere Kosten bedingen.

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Ein Ausführungsbeispiel einer Schaltung, welche eine periodische Einstellung der Frequenz eines Quarzkristall-Oszillators ermöglicht, ist in der bekanntgemachten schweizerischen Patentanmeldung 3863/73 beschrieben. Bei der dort beschriebenen Schaltung wird ein Schalter bönutzt, welcher selektiv Kondensatoren in v/irksame und unwirksame Schaltstellungen bringt, um dadurch die Schwingungseigenschaften des Quarzkristalls zu beeinflussen.

Die Erfindung bezweckt, eine sehr genaue Einrichtung zur Einstellung der durchschnittlichen Schwingungsfrequenz eines Signals zu schaffen, welches zur Steuerung einer anderen Schaltung oder anderer Schaltungen verwendet wird. Die Bezeichnung "durchschnittliche Frequenz" oder "Durchschnittsfrequenz" wird hierbei im gewöhnlichen Sinne verwendet; sie bezieht sich also auf das arithmetische Mittel der Frequenz, welche von einer Schaltung während eines, gewählten Zeitraumes geliefert wird. Die Durchschnittsfrequenz eines Signals über einen gewählten Zeitraum wird"errechnet durch Summierung der Produkte der verschiedenen momentanen Frequenzen mit ihren zugehörigen Zeitwerten und Division durch die Summe der entsprechenden Zeitwerte. Wenn beispielsweise die Frequenz ΐ_Λ während des Zeitraums t-, die Frequenz f„ während des Zeitraums tp und die Frequenz f„ während des Zeitraums t_o vorhanden ist, wird die Durchschnittsfrequenz f_ . " . ... errechnet durch die folgende Beziehung:

_ Vl * ^f2^t2 * ^f3*3 Durchschnitt t., + t~ + t„

Dabei ist erkennbar, daß die. Durchschnittsfrequenz nicht notwendigerweise und auch nicht im Regelfall gleich'einer der momentanen •Frequenzen ist.

Die Anwendung der vorliegenden Erfindung ist naturgemäß immer dann vorteilhaft, wenn eine möglichst genaue Durchschnittsfrequenz ge liefert werden muß, jedoch ist sie von besonderer Bedeutung und besonders zweckmäßig für die Anwendung bei elektronischen Zeitgeräten. Bei Einrichtungen dieser Art wird die Schaltung gemäß der Er findung zwischen einer Frequenzquelle und anderen elektronischen

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Schaltungen, -welche Signale aus der Frequenzquelle benutzen, angeordnet. Die Schaltung gemäß der Erfindung kann mit besonderem Vorteil eingesetzt werden-, wenn die anderen elektronischen Schaltungen Signale verwenden, welche eine erheblich niedrigere Frequenz haben als dis von der Frequenzquelle erzeugten Frequenzwerte.

Die Schaltung gemäß der Erfindung zur Einstellung der Durchschnittsfrequenz von Signalen, welche einer anderen Schaltung zugeführt werden, enthält eine erste Schalteinrichtung, welche mit einem Frequenzteiler in Reihe geschaltet ist, und eine zweite Schalteinrichtung, welche mit wenigstens dem Teiler parallel geschaltet ist. Eine Steuereinrichtung kann selektiv über gegebene Zeitr__äume auf die erste und die zweite Schalteinrichtung einwirken bzw. nicht einwirken. Bei einer bevorzugten. Ausführungsform der Erfindung ist die zv/eite Schalteinrichtung sowohl zu der ersten Schalteinrichtung als auch dem Teiler parallel geschaltet.

Wenn sich die Schaltung gemäß der Erfindung in dem Zustand befindet, in welchem Impulse weder zu noch von dem durch den Frequenzerzeuger gelieferten Signal hinzugefügt bzw.« subtrahiert werden, wird die erste Schalteinrichtung geschlossen sein, während die .zweite sich in geöffneter Stellung befinden wird. Diese Positionen-.-, der ersten und der zweiten Schalteinrichtung erlauben, daß elektronische Signale von dem Frequenzerzeuger durch den" Frequenzteiler gelangen und zu der anderen elektronischen Schaltung, welche die im Einselfall gewünschte Beschaffenheit hat, geliefert werden. Die Frequenz der Signale, welche zu der anderen elektronischen Schaltung geliefert v/erden, wird nur durch die Wirkung des Teilers von der Frequenz der Signale, welche von dem Frequenzerzeuger erzeugt sind, abhängig sein. Dieser Zustand der Schaltung gemäß der Erfindung .wird nachfolgend auch als Normalzustand bezeichnet werden«

Wenn die durchschnittliche Frequenz von Signalen, welche zu der anderen elektronischen Schaltung geliefert v/erden, erhöht werden soll, wird während eines gewählten Zeitraums die erste Schalteinrichtung geöffnet v/erden, und die zweite Schalteinrichtung wird geschlossen '»'erden. Dieser Schaltungszustand wini'nachfolgend auch als Zu-

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stand der"Impulsaddition" bezeichnet. Hierbei gelangen Signale von dem Frequenzerzeuger zu der anderen elektronischen Schaltung, ohne daß sie durch den Frequenzteiler geführt v/erden. Diese Signale werden daher eine höhere Frequenz haben als die vorherigen "norraalen" Signale, welche durch den Teiler gelangten. Durch entsprechende Steuerung der Dauer des Zustandes der Impulsaddition und durch Vor- und Rückschieben zwischen diesem Zustand und dem Normalzustand kann die zu der anderen elektronischen Schaltung gelieferte Durchschnittsfrequenz auf jeden gewünschten Frequenzwert zwischen der Normalfrequenz und der von dem Frequenzerzeuger gelieferten Frequenz angehoben v/erden. Durch passende Impulssteuerung der Schaltung gemäß der Erfindung vpm .Normalzustand zum Impulsadditionszustand kann die durchschnittliche Frequenz der Signale, welche zu der anderen elektronischen Schaltung geliefert v/erden, auf einem erhöhten Frequenzwert über der Normalfrequenz für jeden gewünschten Zeitraum gehalten werden. Wenn es beispielsweise erwünscht ist, daß die Durchschnittsfrequenz, welche zu der anderen elektronischen Schaltung geliefert wird, über verhältnismäßig lange Zeitabschnitte höher sein soll, so kann die Schaltung gemäß der Erfindung langsam zwischen dem Normalzustand und dem Impulsadditionszustand hin-' und hergeschaltet v/erden. Wenn dagegen· die gewünschte höhere Durchschnittsfrequenz nur über verhältnismäßig kurze Zeitabschnitte bestehen soll, wird der Impulsadditionszustand der Schaltung gemäß der Erfindung häufiger₉ jedoch über kürzere Zeitabschnitte eingestellt .werden.

Wenn die Durchschnittsfrequenz der Signale aus der Schaltung gemäß der Erfindung herabgesetzt v/erden soll, können die beiden Schalteinrlchtungen, also die erste und die zvreite Schalteinrichtung₉ periodisch geöffnet werden. Während jedes Zeitraums_s in dem sowohl die erste als auch die zweite Schalteinrichtung offen sind_s wird kein Signal zu der anderen Schaltung geliefert;, und dementsprechend wird die Durciischnittsfrequenz während eines längeren Zeitraums niedriger sein als sie normalerweise geliefert wird*.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung „ welche ins=- besondere geeignet ist für die Anwendung bei elektronischen Zeit-

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geräten-,.-wird die Schaltung gemäß der Erfindung benutzt, um die Durchschnittsfrequenz einzustellen, welche von einer Schaltung geliefert -wird,- die eine Frequenzquelle enthält. Die Möglichkeit der Einstellung einer Frequenz, welche beispielsweise von einem Quarzkristall geliefert wird, ist besonders vorteilhaft, weil sie die Verwendung eines preisgünstigeren Quarzkristalls ermöglicht, dessen jeweilige Frequenz in stärkerem Maße'von der Nominalfrequenz ab-' weicht. Die Erfindung ist auch gegenüber den bisher bekannten Schaltungen dieser Art besonders vorteilhaft, weil die Einstellung der Durchschnittsfrequenz linear erfolgt; dies bedeutet, daß eine lineare Beziehung zwischen der Zahl der Zählungen, welche- addiert oder subtrahiert werden, und der resultierenden Änderung der Durchschnitt sfre quenz besteht. Die Frequenz von Signalen, welche von dem Frequenzerzeuger geliefert werden, kann in geeigneter V7eise eingestellt werden, so daß sie den gewünschten Eigenschaften des übrigen Teils der elektronischen Schaltung angepaßt werden kann. Die Oszj.llatorschaltung kann daher standardisiert werden, und es können kleinere elektronische Einstellungen der Durchschnittsfrequenz vorgenommen werden, ohne daß es erforderlich ist, die"jeweilige Frequenz der Quelle einzustellen. " ·

Ausführungsbeispiele der.Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen beschrieben.

Fig. 1 zeigt schematisch das Arbeitsprinzip der Schaltung gemäß

der vorliegenden Erfindung.
Fig. 2 ist ein logisches Diagramm einer bevorzugten Ausführungs-"

• form der Erfindung.
Fig. 3 ist ein Zeitdiagramm der Schaltung gemäß Fig. 2.

Die in Fig. 1. dargestellte schematische Zeichnung zeigt die grundsätzliche Arbeitsweise einer Ausführungsform der Erfindung. V/ie in Fig. 1 erkennbar ist, ist eine erste Schalteinrichtung 3 mit einem Frequenzteiler 4 in Reine geschaltet. Frequenzteiler 4 unter·=* teilt die seinem Eingang 4i sugeführte Frequenz auf einen niedrigeren Frequensv/ert„ welcher an dem Ausgang 4© austritt» Frequenz« entsprechend ctem "unter dem B©gugssel0ta»-4 dargestellten. .

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Frequenzteiler sind in der Technik bekannt, und sie sind kommerziell verfügbar; im allgemeinen unterteilen sie die Eingangsfrequenz um eine ganze Zahl. Als Beispiel für einen solchen Frequenzteiler wird das Produkt 34518 der Fairchild Camera and Instrument Corporation (nachfolgend auch als "Fairchild" bezeichnet) genannt. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist eine zweite Schalteinrichtung 6 zu der ersten Schalteinrichtung 3 und dem Frequenzteiler 4 parallel geschaltet. Im Betrieb wird eine Frequenz der in Fig. 1 dargestellten Klemme 7 zugeführt. Durch selektives öffnen und Schließen der ersten Schalteinrichtung 3 und der zweiten Schalteinrichtung 6 über bestimmte Zeitabschnitte kann erreicht werden, daß eine höhere oder niedrigere Durchschnittsfrequenz (im Vergleich zu derjenigen Frequenz, welche normalerweise von dem Teiler 4 an Ausgangsklemme 4o geliefert wird) an Klemme 8 auftritt. Der zeitliche Durchschnittswert der an Klemme 8 auftretenden Frequenz kann so hoch sein wie diejenige Frequenz, die bei Klemme 7 geliefert wird, oder sie k&nn ■auch als niedrigsten Wert Null erreichen. Wenn keine Änderung der Frequenz gewünscht ist, wird die erste Schalteinrichtung 3 geschlossen, während die zweite Schalteinrichtung 6 geöffnet wird, so daß die der Klemme 7 zugeführten Signale durch den Teiler 4 hindurchgelangen und an Klemme 8 auftreten. Dieser Betriebszustand wird als Normalzustand bezeichnet, v/eil die zugeführte Frequenz lediglich durch die Wirkung des Teilers 4 geändert wird.

Wie in Fig. 1 erkennbar ist, wird durch Öffnen der ersten Schalteinrichtung 3 und Schließen der zweiten Schalteinrichtung 6 erreicht, daß die an Klemme 7 auftretenden Signale den Teiler 4 umgehen und unmittelbar an Klemme 8 auftreten. Dieser Betriebszustand der Schaltung wird als Zustand der "Impulsaddition¹"¹ bezeichnet. Der Zustand dör Impulsaddition kann über jeden'gewünschten Zeitraum aufrechterhalten werden, und es wird hierdurch die an Klemme 8 auftretende Durchschnittsfrequenz im Sinne einer Erhöhung eingestellt» Wenn beispielsweise, während eines gegebenen Zeitraums der Schaltzustand der Impulsaddition über eine Hälfte des Zeitraums aufrechterhalten wird,, so vilrd die Durchschnittsfrequenz des an Klemme 8 erscheinenden Signals in der Mitte-'zwischen der zu Klemme- 7 gelieferten Frequenz' und der normalerweise bei Klemme S gelieferten Frequenz liegen

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(wobei die erste Schalteinrichtung 3 geschlossen und die zweite Schalteinrichtung 6 geöffnet ist). Bei der in Fig. 1 dargestellten Schaltung ist die Durchschnittsfrequenz f , welche, zur Klemme 8

ave

geliefert wird, im Verhältnis zu der zu Klemme 7 gelieferten Eingangsfrequenz f. wie folgt zu errechnen:

ave ητ

Dabei ist: T = Zeit zwischen Einstellperioden der Durchschnitts— frequenz

t = Dauer der Einstellung

η = Zahl (Divisor), durch welche die Frequenzteilerschaltung 4 den Frequenzwert f. dividiert.

Wenn also die an Klemme 8 auftretende Frequenz 10 % höher sein soll als die an Klemme 8 auftretende Normalfrequenz, und wenn ■n = 2 ist, so wird der Zustand der Impulsaddition der Schaltung über 10 % der gesamten Betriebszeit aufrechterhalten v/erden. Durch schnelleres Schalten der in Fig. 1 dargestellten Schaltung zwischen dem Normalzustand und dem Zustand der Impulsaddition wird die bei Klemme 8 auftretende Momentanfrequenz sich mehr der gewünschten Durchschnittsfrequenz über zunehmend kürzere Zeiträume annäherη.

In ähnlicher Weise kann die in Fig. 1 dargestellte Schaltung so betrieben werden, daß die bei Klemme 8 auftretende Durchschnittsfrequenz niedriger als die normalerweise gelieferte Frequenz ist. Dieser Zustand wird nachfolgend auch als der Zustand der "Impulssubtraktion¹¹ bezeichnet, und er wird dadurch eingestellt, daß sowohl die erste Schalteinrichtung 3 als auch die zweite Schalteinrichtung 6 geöffnet, werden. Wenn sowohl die erste Schalteinrichtung 3 als auch die zweite Schalteinrichtung 6 während einer gewählten Zeit geöffnet sind, v/erden keine Impulse von der Klemme 7 zur Klemme 8 weitergegeben. Auf diese Weise wird über eine längere Zeitspan= ne die bei Klemme 8 auftretende Durchschnittsfrequenz herabgesetzt. Wenn beispielsweise η = 2 ist und wenn die Duchschnittsfrequenz bei Klemme 8 10 % niedriger als die Normalfrequenz sein soll» so

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werden Schalter 3 und Schalter 6 zusammen über 10 % der Zeit πeöffne t sein. Dieser Zustand wird dadurch erreicht, daß Schalter 6 ceöffnet gehalten wird und dann Schalter 3 über 10 % der Zeit geöffnet wird.

Fig. 2 zeigt ein logisches Diagramm einer bevorzugten Ausführungsform der Schaltung gemäß der Erfindung zusammen mit entsprechenden äußeren Schaltungen 11, 11a, 11b ... 11k, wie sie im Regelfall bei elektronischen Zeitgeräten Verwendung finden. Die Schaltung gemäß der Erfindung enthält einen Schaltkreis 30 und eine Steuerschaltung 20. Fig. 2 zeigt einen Frequenzgenerator 11 und eine Reihe von Frequenzteilern 11a, 11b ... 11k. Die Schaltung gemäß der Erfindung, wie sie in dem logischen Diagramm innerhalb der gestrichelten Linien der Blocks 20 und 30 dargestellt ist, enthält Verbindungen zwischen den Frequenzteilern 11a und 11b auf der linken Seite der Fig. 2 und Leitung T zwischen den Frequenzteilern lic und 11k auf .der rechten Seite der Fig. 2. Dabei ist zu bea_chten, da diese Art der räumlichen Anordnung ' "lediglich der Illustration dient und daß auch andere gewünschte Anordnungen gewählt werden können. Dies hängt ab von der gewünschten Normalfrequenz, dem Umfang der erwarteten maximalen Einstellungswirkung auf die Normalfrequenz und dem Mindest— Zeitraum, während dessen die"durchschnittliche' neue Frequenz gewünscht wird. Wenn beispielsweise gewünscht wird, daß die Einstellung der Eingangsfrequenz weniger häufig vorgenommen werden soll, so kann die Leitung T zwischea.Teiler angeschlossen werden, welche von dem Teiler lic weiter entfernt sind, beispielsweise nach Teiler Hf (nicht dargestellt) , so daß der monostabile Multivibrator 19 weniger häufig getriggert wird.

Wie Fig. 2 zeigt, enthält das hier dargestellte logische Diagramm einen Schaltkreis 30 und eine Steuerschaltung 20. Der Schaltkreis erfüllt die gleiche Funktion wie die in Fig. 1 dargestellte Schaltung. Frequenzteiler Hb (Fig. 2) .erfüllt die Funktion des Frequenzteilers in Fig. 1, und die Kombination von NAND-Gatter 36 und 37 (Fi?,. 2) erfüllt die Funktion der ersten Schalteinrichtung 3 in 1; die Kombination von NAl-ID -G at tern 35 und 37 (Fig. 2) erfüllt

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die Funktion der zweiten Schalteinrichtung 6 in Fig. 1. Durch entsprechende Steuerung der NAND-Gatter 35, 36 und 37 kann die dem Frequenzteiler llk gelieferte durchschnittliche Frequenz eingestellt v^erden 3.uf Jede gewünschte Frequenz zwischen Null und der Frequenz der an den Teiler lib auf Leitung IN angelegten Signale.

Die innerhalb der gestrichtelten Linie 2-0 dargestellte Steuerschaltung hat den Zweck, die NAND-Gatter 35 und 36, und dementsprechend "NAND-Gatter 37, in geeigneten Zeitintervallen ein- bzw. abzuschalten, damit die gewünschte Durchschnittsfrequenz zum Teiler llk geliefert wird.

V7enn die gewünschte Durchschnittsfrequenz von Signalen auf Leitung OUT gleich der Normal frequenz (Frequenz atf.'Leitung M nach Division durch Teiler lib) sein soll, so wird NAND-Gatter 36 eingeschaltet und NAND-Gatter 35 abgeschaltet. Dies wird erreicht durch eine logische 1 auf Leitung B und eine logische 0 auf Leitung A. Tn diesem Fall ist NAND-Gatter 36 eingeschaltet, NAND-Gatter 35 ist abgeschaltet und NAI¹ID-Gatter 37 eingeschaltet. Dementsprechend gelangen· auf Leitung IN gelieferte Signale durchTeiler lib, und sie werden zur Leitung OUT weitergegeben. Dieser Zustand entspricht dem in Fig. 1 dargestellten Zustand, wenn Schalter 6 geöffnet ist, während Schalter 3 sich in geschlossenem Zustand befindet (Normalzustand).

Wenn die in Fig. 2 dargestellte Schaltung eine Durchschnittsfrequenz liefern soll, welche höher als die Normalfrequenz ist, wird NAND-Gatter 35 eingeschaltet und NAND-Gatter 36 abgeschaltet, indem eine logische .1 auf Leitung A und eine logische 0 auf Leitung B gelegt v/erden. Signale, welche auf Leitung IN zur Schaltung 30 geliefert werden, gelangen dadurch auf Leitung S, umgehen den. Teiler 11b und gelangen durch NAND-Gatter 35 und 37 zur Leitung OUT. Die auf der Leitung OUT auftretenden Signale werden daher während derjenigen Periode, in der sich NAND-Gatter 35 im Einschaltzustand und NAND-Gatter 36 im Absch.altzustand befindet, in der Frequenz den auf Leitung IN befindlichen Signalen gleich sein..^

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Y/enn die Schaltung * eine Durchschnittsf requenz, ..liefern soll, welche niedriger als die liormalf requenz ist, werden sov/ohl IIAiiD-Gatter als auch liAIID-Gatter 36 abgeschaltet, so daß die Weitergabe irgendv/elcher Signale von der Leitung IN zur Leitung OUT unterbunden ist. Dieser Irr.pulssubtraktionszustand wird dadurch erreicht, daß eine logische O auf Leitung A und eine logische 0 auf Leitung B gelegt werden, so daß beide IIAND-Gatter 35 und 36 abgeschaltet sind. Während eines etwas längeren Zeitraums wird die auf der Leitung OUT auftretende durchschnittliche Signalfrequenz niedriger als die Nornalfrequenz sein.

Die S teuer schal tung innerhalb des gestrichelten Blocks 2 kann jede geeignete Schaltung sein, welche die beschriebenen Ergebnisse erbringt. Das bedeutet, daß die Steuerschaltung die Gatter 35, und 37 zuverlässig dadurch öffnen und schließen muß, daß eine logische 0 axt die Leitungen A und B während des Zustands der Impulssubtraktion, eine logische 1 auf Leitung A und eine logische 0 auf Leitung B während des Zustands der Impulsaddition und eine logische 0 auf Leitung A und eine logische 1 auf Leitung B während des No tmalbetriebs gelegt werden. Eine bevorzugte Ausführungsform einer logischen Schaltung, welche diese Funktionen erfüllt, ist innerhalb des Blocks 20 der Fig. 2 dargestellt. Der Fachmann der Technik der Digital schaltungen wird erkennen, daß zahlreiche andere Steuerschaltungen außer der in Fig.2 dargestellten Schaltung das gewünschte Resultat erbringen können. Eine Gruppe von Schaltungen dieser Art kann dadurch erhalten werden, daß das deMorgan¹sehe Theorem angewandt wird. Insbesondere kann bei der dargestellten Ausführungsform des Schaltkreises jede Steuerschaltung das gewünschte Ergebnis erbringen, welche die folgenden Bedingungen erfüllt:

A =-1 Wenn G=I und P=I
B=O Wenn entweder,

1) G = 1 und P=O, oder

2) A = 1

Das logische Diagramm innerhalb des Blocks 20 der Fig. 2 enthält .eine Einrichtung, welche die Leitungen A und 3 derart impulssteuert,

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daß der Zustand des Sehaltkreises 30 entsprechend gesteuert v/ird, und es enthält innerhalb von Block 28 eine Einrichtung zur .Kontrolle und Steuerung der Zahl der addierten oder subtrahierten Impulse.

Das durch die Schaltung innerhalb vom Block 28 auf Leitung G zugeführte Signal bestimmt zusammen mit dem von Verriegelung 22 auf Leitung ? gelieferten Signal den Zustand der Leitungen Λ und B. Vv'ie noch näher erläutert werden"wird, v/ird die Existenz und die Dauer einer logischen 1 auf Leitung G benutzt, um die Existenz und die Dauer der zu den Leitungen Λ und B gelieferten Impulsaddition- und Irnpulssubtraktion-Signale zu steuern. Wenn der Schaltkreis innerhalb des Blocks 30 sich in seinem normalen Zustand befinden soll, v/ird eine logische 0 auf die Leitung G durch die Schaltung in dem Block 28 gegeben. Es sei nun jedoch angenommen, daß eine logische 1 durch die Schaltung innerhalb des Blocks 28 auf Leitung G gegeben wird. Eine logische 1 auf Leitung G v/ird UND-Gatter 25 und UND-Gatter 'in den Einschaltzuctand versetzen. Die Wahl, ob entweder Leitung A oder leitung B eine logische 1 erhält, viird daher durch den Zustand der Leitung P entschieden. Die Verriegelung (latch) 22, welche nach dem Stande der Technik bekannt ist, z.B. durch das Fairchild-Produlct 34042, ist derart voreingestellt, daß die Anwesenheit einer ■ logischen 1 bei Klemme 1+ die Leitung P in den Zustand einer logischen 1 verriegelt. Die logische 1 auf Leitung P- v/ird durch den Inverter vor UND-Gatter 26 in'eine logische 0 invertiert, und dementsprechend v/ird UND-Gatter 26 nicht eingeschaltet; das Ergebnis ist, daß eine logische 0 auf Leitung R erscheint. Die logische 1 auf Leitung P bewirkt jedoch zusammen mit der logischen 1 auf Leitung' G, daß UND-Gatter 25 eine logische 1 auf Leitung A liefert. Die logische 1 auf Leitung A bewirkt zusammen, mit der logischen 0 auf LeitungR, daß das NOR-Gatter 27 eine logische 0 auf Leitung B liefert, so daß NAND-Gatter 36 abgeschaltet wird. Durch das Einschalten von Z-IMID-Gatter 35 und das Abschalten von NAND-Gatter 36 v/ird der Schaltkreis .30 in den Impulsadditionszustand' versetzt. Frequenzteiler 11b v/ird umfangen.

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yc:

Der Schaltkreis 30 wird in den Zustand der Impulssubtraktion versetzt, indem eine logische 0 in die Eingangsklenune 1+ eingegeben v/ird. und zv/ar gleichzeitig mit einer logischen 1 auf Leitung G. Die logische O bei Klemme 1+ bewirkt, daß eine logische 0 auf Leitung P erscheint, so daß NMiD-Gatter 25 abgeschaltet wird, wodurch wiederum NAND—Gatter 35 abgeschaltet wird. Die logische 0 auf Leitung P zusanmen mit der vorausgesetzten logischen 1 auf Leitung G versetzt UND-Gatter 26 in den Einschaltzustand und bewirkt, daß eine logische 1 auf Leitung R erscheint. Die logische 1 auf Leitung R bewirkt zusammen mit der logischen 0 auf Leitung A, daß NOR-Gatter 27 eine logische 0 auf Leitung B legt. Die kombinierten logischen Oen auf Leitung A und Leitung B bewirken die Abschaltung von NAND-Gatter 35 und NAND-Gatter 36 und damit die Abschaltung von NAND-Gatter 37. Während derjenigen Zeit, in der NAND-Gatter 37 abgeschaltet ist, erscheint kein Signal auf Leitung OUT.

-Der Normalzustand des Schaltkreises 30 tritt immer dann auf, wenn Schaltung 28 eine logische 0 auf Leitung G legt. Die logische 0 auf Leitung G führt zur Abschaltung von UND-Gatter 25 und UND-Gat-"ter 26, und dies bewirkt, daß eine logische 0 auf Leitung R und Leitung A erscheint. Diese logischen Oen schalten NAND-Gatter 35 ab und bewirken, daß NOR-Gatter 27 eine logische 1 auf Leitung B legt, so daß NAND-Gatter 36 eingeschalt*-.wird. Die auf Leitung B des NAND-Gatters 36 gelegte logische 1 ermöglicht, daß|die Signale auf Leitung II von Frequenzteiler 11b durch NAND-Gatter 36 und NAND-Gatter 37 gelangen und dadurch auf Leitung OUT erscheinen.

Die Anwesenheit einer logischen 1 bei Eingangsklemme 1+ zusammen mit einer logischen 1 auf Leitung G bewirkt, daß der Schaltkreis 30 den Frequenzteiler 11b umgeht, so daß die Durchschnittsfrequenz von Signalen .'.auf Leitung OUT wirksam heraufgesetzt wird. Die Anwesenheit einer logischen 0 bei Klemme 1+ und einer logischen 1 auf Leitung G bewirken, daß der Schaltkreis 30 den Signalfluß zwischen den Leitungen IN und OUT unterbricht, so daß die Durchschnittsfrequenz herabgesetzt wird. Schließlich erlaubt die Anwesenheit einer logischen 0 auf Leitung G, daß die Signale durch den Frequenzteiler 11b gelangen und unmittelbar auf Leitung OUT erscheinen.

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-XT-

Der Zv/eck der Schaltung' innerhalb des Blockes 28 ist die Steuerung der Zahl von Impulsen, welche durch den Schaltkreis 30 addiert oder subtrahiert werden. Wie bereits beschrieben wurde, erfolgt die Steuerung, ob Impulse addiert oder subtrahiert werden, durch die Anwesenheit einer logischen 1 bzw. einer logischen 0 auf Leitung P. Eine Addition oder Subtraktion von Inipulsen erfolgt immer dann, wenn eine logische 1 auf Leitung E vorhanden ist, und es v/erden hierdurch NAMD-Gatter 21a, 21b und 21c in den Einschaltzustand versetzt. Die logische 1 auf Leitung E wird erzeugt durch einen monostabilen Multivibrator 19. Monoflops ("one-shot" devices), wie beispielsweise der monostabile Multivibrator 19, sind nach dem Stande der Technik bekannt und stehen kommerziell zur Verfügung, beispielsweise das Fairchild-Produkt 9600. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Leitung T mit einer Stelle in der Kette der Frequenzteiler lic ... llk derart verbunden, daß sie von dort alle 20 Sekunden ein Signal empfängt. Dieses alle 20 Sekunden atff- *tretende Signal veranlaßt den monostabilen Multivibrator 19, ein Signal auf Leitung E zu liefern und dadurch NAND-Gatter 21a, 21b und 21c in den Einschaltzustand zu versetzen. Die Einschaltung der NAND-Gatter' 2Ia₁ 21b und 21c ermöglicht, daß die an Klemmen II, 12 und 14 vorhandene Information in programmierbare Abwärtszähler (down counters) 23a, 23b und 23c eingeführt werden kann.

Die in die Klemme II, 12 und 14 eingegebenen Signale können auf mehrere verschiedene Arten geliefert werden. Wenn es beispielsweise erwünscht ist, die in Fig. 2 dargestellte Schaltung permanent zu programmieren, um eine gewählte Zahl von Impulsen in gewählten Intervallen entsprechend der Frequenz des Signals auf Leitung T zu addieren oder zu subtrahieren, dann können gewählte Klemmen der Klemmen II, 12 und 14 mit einer.Spannungskiemrae fest verdrahtet ("hard-wired"·) werden. Wenn andererseits die auf Leitung OUT gelieferte Durchschnittsfrequenz periodisch geändert werden soll, wie es beispielsweise der Fall sein würde, wenn die Frequenz von Signalen, welche von der Frequenzquelle 11 geliefert worden-, sich mit der Zeit ändert, so können den Klemmen II, 12 und 14 von irgendwelchen anderen elektronischen Schaltungen oder externen Schalteinrxchtungen

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selektiv Signale zugeführt werden. In der Technik elektronischer Zeitgeräte ist es möglich, einen Schalter außerhalb einer Uhr zu benutzen, um Signale zu bekannten Logik-steuernden Klemmen II, 12 und 14 zu liefern.

Aufgabe und Wirkungsweise der Schaltung 28 können durch ein Beispiel noch näher erläutert v/erden. Es sei angenommen, daß durch Prüfeinrichtungen außerhalb der Digitaluhr festgestellt worden ist, daß die Frequenz des Quarzkristall-Oszillators um 12 Teile/Million niedriger ist, als es der genauen Zeit entspricht. Bei einem Quarzkristall-Oszillator, v/elcher mit einer Frequenz von 100 000 Hertz schwingt, ist dies gleichbedeutend mit einem Fehler von 72 Perioden der Oszillatorgrundfrequenz pro Minute. (Bei einer Ausführungsforn der Erfindung, bei der der Träger der Digitaluhr einen Schalter außerhalb des Gehäuses verwenden kann, um \Signale zu den Klemmen II, 12 und 14 zu liefern, würde man eine ähnliche Information durch ,die ■Feststellung erhalten, daß die Uhr je Monat etwa 30 Sekunden nachgeht). Es ist daher erforderlich, dem von der Frequenzquelle 11 gelieferten Signal 72 Impulse je Minute hinzuzufügen.

Dies geschieht dadurch, daß man die in Fig. 2 dargestellte Schaltung in der folgenden Weise benutzt. Es sei angenommen, daß der Zähler 11a eine Schaltung ist, welche eine Division durch 2 ausführt, und daß Zähler 11b eine Division durch 6 vornimmt. Während des Zusammenbaus der Digitaluhr sind die Klemmen 12 und 14 mit einer Spannungsquelle verbunden, während eine Verbindung bei Klemme Il nicht besteht. Leitung T-, welche den Monoflop 19 mit der' Kette der Teilerschaltungen 11a, 11b, lic'..'. 11k verbindet, ist so angeschlossen, daß sie einer Teilerschaltung folgt, welche ein Signal je Minute liefert. Da dem von der Frequenzquelle 11 gelieferten Signal Impulse hinzuzufügen, nicht aber Impulse abzuziehen sind, wird die Klemme 1+ während des Zusammenbaus der Uhr ebenfalls mit einer Spannungsquelle verbunden. Es wird daher jede Minute ein Signal auf Leitung T erscheinen, um Monoflop 19 zu aktivieren. Hierdurch werden NAND-Gatter 21b und 21c eingeschaltet, so daß die logische 1 Zähler 23b und 23c aktivieren kann und daraufhin sechs Impulse auf Leitung G

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zum ΙΙΑΙϊΒ-Gatter 35 geliefert werden. In der "beschriebenen \'lei se bewirken die auf Leitung G auftretenden sechs Impulse, daß auf Leitung OUT sechs zusätzliche Impulse erscheinen. Diese sechs zusätzlichen Impulse v/erden schließlich zur Teilerschaltung llk geliefert, und sie korrigieren damit die auf der Anzeige der Uhr angegebene Zeit. Dabei ist von besonderer Bedeutung, daß die Größe der Korrektur, v.-enn sie weniger als eine Sekunde beträgt, nicht in der Anzeigeeinrichtung erscheint und für den Benutzer nicht sichtbar wird. So . werden beispielsweise zusätzliche sechs Impulse je Minute:, von dem Träger der Uiir nicht wahrgenommen, da dieser nicht bemerkt, daß in jeder Minute eine Sekunde eine geringfügig kürzere Dauer als alle anderen' Sekunden hat, welche während einer Minute von der Uhr angezeigt werden.

Als Zähler 23a, 23b und 23e können viele Typen kommerziell verfügbarer Zähler gewählt werden; als besonders zweckmäßig haben sich* programmierbare Abvährtszähler erwiesen,, beispielsweise Zähler Fairchild 340193. Wenn Signale von den NAND-Gattern 21a, 21b und 21c in den Zählern 23a bzw. 23b bzw. 23c gespeichert sind, so -'wird jedesmal, wenn einer der Zähler 23a, 23b und 23c eine logische 1 auf einer der Leitungen Ql, Q2 und Q3 erseheinen läßt, ODER-Gatter 24 eine logische 1 bei Klemme G auftreten lassen, und hierdurch wird UND-Gatter 29 eingeschaltet und ermöglicht,- daß Taktimpulse auf Leitung V mit der Herabzählung (Dekrementierung) der Zähler 23a, 23b und 23c beginnen. Wenn einer der Zähler ITuIl erreicht, wird eine logische 0 an dem Ausgang aus dem Zähler erscheinen. Wenn alle drei Zähler bis Mull herabgezählt haben, wird ODER-Gatter 24 veranlassen, daß eine logische 0 auf Leitung G. erscheint. Diese logische 0 schaltet UND-Gatter 29 ab, und es werden keine Taktimpulse mehr auf Leitung V zu den Zählern 23a, 23b und 23c geliefert. Auf diese Weise steuern die Zähler 23a, 23b und 23c die Dauer eines gegebenen Signals, also ■ entweder l'cda"O auf Leitung G. Bei der in Fig. 2 dargestellten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann diese Dauer t„ durch die folgende Gleichung wiedergegeben werden:

- (1 X Il + 2 χ 12 + 4 x 14)

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Dabei ist:

f. die Frequenz auf Leitung IN

II, 12 und 14 sind = 0 oder 1.

Die Zahl der Impulse k, welche während der Zeit t addiert oder subtrahiert werden, ergibt sich daher aus folgender Beziehung:

k = Il + 212 + 414.

Obwohl in Fig. 2 nur drei Eingangsklemmen II, 12 und 14 und nur drei Zähler 23a, 23b und 23c dargestellt sind, ergibt es sich für den Fachmann auf dem Gebiet der Digitaltechnik, daß jede Zahl von Eingängen II, 12, 14 ... Ij im Zusammenwirken mit einer entsprechenden Zahl von Zählern 23a, 23b, ... 23j und einem entsprechend erweiterten ODSR-Gatter 24 Verwendung finden kann. Wenn man Fairchild-Zahler 340-193 benutzt, kann die Zahl der Impulse, welche zu/von. j Eingängen addiert bzw. subtrahiert werden können, wie folgt errechnet werden:

k = Il * 212 + 414 + ... +ml

Dabei ist m = 2^

Fig. 3 zeigt ein Beispiel eines ZeitsteuerungsdLagramms für das in Fig. 2 dargestellte logische Diagramm« In Fig. 3 sind auf der linken Seite jeweils diejenigen Stellen des Schemaschaltbildes der Fig. 2 eingetragen, in denen die entsprechenden Signale auftreten. Fig. 3a zeigt die Taktimpulse auf Leitung IN, welche von der !Feilerschaltung 11a zur Schaltung 30 geliefert werden. Das Signal auf Leitung E zur Einschaltung der Additions- oder Subtraktionsimpulse ist in Fig. 3b dargestellt. Fig. 3c bzw. 3e bzw. 3d zeigen einen angenommenen Zustand einer logischen 1 bei den Klemmen Il undk4 sowie den angenommenen Zustand einer logischen 0 bei Klemme 12. Die Signale an den Klemmen II, 12 und 14 veranlassen die Zähler 23a, 23b und 23c, Ausgangssignale zu liefern, wie sie in den Fig. 3f bzw. 3g bzw. 3h dargestellt sind. Diese Ausgangssignale führen zu .einer logischen 1 bei Klemme G für eine Zeitspanne, die in Fig. 3i

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erkennbar ist. Wenn das Signal auf Leitung 1+ eine logische 0 entsprechend der Darstellung in. Fig. 3j ist, so existiert der Zustand der Impulssubtraktion, und die Ausgangsschwingungsform entspricht dem Signal OUT , "in Fig. 3k. Wenn stattdessen entsprechend der Darstellung in Fig. 3m die Klemme 1+ eine logische 1 aufweist, so besteht der Zustand der Impulsaddition, und das Ausgangssignal . entspricht dem Signal OUT_&dd entsprechend Fig. 3n.

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Claims (12)

DR.-ING. FfHEDRiCH B. FISCHER 5000 KCUH SO 29.JuIi 1978 PATENTAKWALT SAARSTRASSE 71 Fairchild Camera an'd Instrument Corporation 0 Q Q O fi E ^ 464 Ellis Street AO O ODD J Mountain View, California 94040, V.St.A. F 7838 Frequenzeinsteilschaltung Ansprüche

1. Schaltung zur Einstellung der Durchschnittsfrequenz von Signalen, welche dem Ausgangsteil der Schaltung zugeführt werden, mit einer Signalquelle und einem Frequenzteiler mit Eingang und Ausgang,

gekennzeichnet durch eine erste Schalteinrichtung, welche mit dem Frequenzteiler zwischen der Quelle und dem Ausgangsteil in Reihe geschaltet ist, eine zweite Schalteinrichtung, welche zwischen der Signalquelle und dem Ausgangsteil parallel wenigstens zu dem Frequenzteiler liegt, und eine Steuereinrichtung zum selektiven Einschalten und Ausschalten der ersten Schalteinrichtung und der zweiten Schalteinrichtung.

2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Schalteinrichtung sowohl zu der ersten Schalteinrichtung als auch zu dem Frequenzteiler parallel geschaltet ist.

3. Schaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,

daß die erste Schalteinrichtung ein erstes NAND-Gatter und ein zweites NAND-Gatter enthält,

daß die zweite Schalteinrichtung ein drittes NAND-Gatter und das zweite NAND-Gatter enthält, wobei eine erste Eingangsklemme des ersten NAND-Gatters mit der Steuereinrichtung verbunden ist, und eine zweite Eingangsklemme des ersten NAND-Gatters mit dem Ausgang des Frequenzteilers verbunden ist, eine erste Klemme des dritten NAND-Gatters mit der Steuereinrichtung verbunden ist und eine zweite Klemme des dritter. NAND-Gatters mit dem Eingang des Frequenzteilers verbunden ist, eine erste Eingangsklemme des zweiten NAND-Gatters

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mit einer Ausgangskiemme des ersten NAND-Gatters verbunden ist und eine zweite Eingangsklemme des zweiten NAND-Gatters mit einer Ausgang ε klemme des dritten NAND-Gatters verbunden ist, und der Ausgangsteil der Schaltung zur Einstellung der Durchschnittsfrequenz eine Ausgangsklemme des zweiten NAND-Gatters ist.

4. Schaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Eingangsklemmen der Steuereinrichtung Informationen über einen gewünschten Zustand der ersten und der zweiten Schalteinrichtung empfangen.

5. Schaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,

daß vier Eingangsklemmen vorhanden sind, und die erste, die zweite und die dritte der Eingangsklemmen so geschaltet sind, daß sie Informationen über den Betrag der Einstellung für die Durchschnittsfrequenz empfangen, und die vierte Eingangsklemme so geschaltet ist, daß sie Informationen darüber aufnimmt, ob die Durchschnittsfrequenz zu erhöhen oder herabzusetzen ist.

6. Schaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,

daß die erste Eingangsklemme zu der Steuereinrichtung mit einem vierten HAT-ID-Gatt er verbunden ist,

daß die zweite Eingangsklemme zu der Steuereinrichtung mit einem fünften NAND-Gatter verbunden ist,

daß die dritte Eingangskiemme zu der Steuereinrichtung mit einem sechsten NAI¹TD-Gatter verbunden ist, und wobei das vierte, fünfte und sechste NAND-Gatter auch Signale aus einer ersten Quelle von Signalen empfangen können, welche zu den Signalen aus der Signalquelle in einer bekannten Beziehung stehen.

7. "' Schaltung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung wenigstens einen Zähler enthält, v/elcher mit einer zweiten Quelle von Signalen verbunden ist, die gegenüber den Signalen aus der Signalquelie in einer bekannten Beziehung stehen.

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8. Schaltung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Quelle von Signalen ein monostabiler Multivibrator ist und die zweite Quelle von Signalen die Signalquelle ist.

9. Schaltung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der wenigstens eine Zähler einen ersten, einen zweiten und einen dritten Zähler enthält, und daß das vierte NAND-Gatter mit dem ersten Zähler, das fünfte NAND-Gatter mit dem zweiten Zähler und das sechste NAND-Gatter mit dem.dritten Zähler verbunden sind.

10. Schaltung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß Signale von wenigstens einem von drei Zählern, nämlich dem ersten, dein zweiten und dem dritten Zähler, zu wenigstens einer von zwei Eingangsklemmen, nämlich der ersten Eingangsklemme des ersten NAND-Gatter s und der ersten Eingangskiemme des dritten NAND-Gatterε, geliefert werden.

11. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß die Signalquelle einen Quarzkristall-Oszillator enthält und der Ausgangsteil eine Reihe von Zählern enthält, welche eine für die Zeit repräsentative Zählung liefern.

12. Elektronisches Zeitgerät mit einer Schaltung zur Einstellung der Durchschnittsfrequenz von Signalen, welche von einer Frequenzquelle zu einer Reihe von Zählern geführt v/erden, um eine für die Zeit repräsentative Zählung zu liefern, gekennzeichnet durch einen Frequenzteiler mit einem Eingang und einem Ausgang, eine erste Schalteinrichtung, welche zwischen der Signalquelle und dem Ausgangsteil in Serie mit dem Frequenzteiler geschaltet ist, eine zweite Schalteinrichtung, welche zwischen der Signalquelle und dem Ausgangsteil mit wenigstens dem_ Frequenzteiler par_allel geschaltet ist, und

eine Steuereinrichtung zum selektiven Ein- und Ausschalten der ersten Schalteinrichtung und der zweiten Schalteinrichtung.

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