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Elektronische Uhr oder Uhrenradio mit einem Wecksignal
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unterschiedlicher Lautstärke
Beschreibung Die Erfindung
bezieht sich auf eine Anordnung zur Erzeugung unterschiedlicher Lautstärken bei
der Abgabe eines Wecktones einer elektronisch gesteuert ten Uhr oder eines Uhrenradios
mit einem als Schallwandler dienenden Piezoelementes.
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Es ist bekannt, daß ein einem elektrischen Wechselfeld ausgesetztes
piezoelektrisches Element zu mechanischen Schwingungen angeregt wird, wodurch sich
ein derartiqes Piezoelement als Schallwandler zur Abgabe eines Signaltones eignet.
Es weist dabei die Vorteile auf, das elektrische Wechselfeld, beispielsweise in
Form einer Impulsreihe, unmittelbar in eine mechanische Schwingung umzuwandeln,
d.h.
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ohne Zwischenschaltung zusätzlicher Bauelemente, wodurch der weitere
Vorteil resultiert, daß ein als Signalgeber eingesetztes Piezoelement einen äußerst
geringen Platzbedarf hat. Aus diesem Grunde eignet sich ein Piezoelement als Signalgeber
oder Summer für eine elektronisch gesteuerte Uhr oder ein Uhrenradio, da hier ohnehin
die von einem als Frequenznormal dienenden Quarzoszillator abgeleiteten und herunter
geteilten - Impulse zur Verfügung stehen und aufgrund des geringen Platzbedarfes
des Piezoelementes auch bei gedrängter Bauweise ein Einsatz ohne größere Schwierigkeiten
möglich ist.
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Bei bekannten Summeranordnungen wird das Piezoelement zur Verstärkung
der Schallabgabe auf einen Resonanzkörper
beispielsweise durch
Aufkleben aufgebracht und zur Signalabgabe mit einer kontinuierlichen oder intermittierenden
Impulsreihe angesteuert.
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Die Ansteuerfrequenz des Piezoelementes liegt dabei im Bereich der
Resonanzfrequenz, so daß eine maximale Schwingungsamplitude des Piezoelementes erreicht
wird. Bei intermittierender Ansteuerung wechselt jeweils ein Impulspaket bestimmter
Dauer mit einer Impulspause ab, so daß ein besonders nachhaltiger Signalton abgegeben
wird.
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Es sind in diesem Zusammenhang auch integrierte Schaltungen bekannt,
die Ausgangssignale zur schrittweisen Lautstärkeänderung eines Piezoelements abgeben
können, wobei mehrere Anschlüsse der integierten Schaltkreise erforderlich sind,
um über einen entsprechenden Schalttransistor das Piezoelement anzusteuern.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Anordnung zur Erzeugung
unterschiedlicher Lautstärken bei der Abgabe eines Wecktones zu schaffen, die nur
einen Anschluß einer integrierten Schaltung zur Ansteuerung des Piezoelements mit
einer beliebigen Alarmsignalfrequenz und schrittweise ansteigender oder wechselnder
Signallautstärke benötigt und die einfach und kostengünstig in die zur Steuerung
der Zeitfunktionen einer Uhr oder eines Uhrenradios vorhandenen integrierten Schaltung
eingefügt werden kann.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß parallel zum
Piezoelement eine Induktivität geschaltet ist, deren Selbstinduktionsspannung durch
unterschiedliche Einschaltzeiten eines mit der Steuer-
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der Uhr oder des Uhrenradios verbundenen elektronischen Schalters gesteuert wird,
wobei mit steigender, von der Induktivität an das Piezoelement abgegebener Selbstinduktionsspannung
die Wecklautstärke ansteigt.
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Bei Anwendung der erfindungsgemäßen Lösung wird nur ein einzelner
Anschluß einer integrierten Schaltung zur Ansteuerung des Piezoelements mit einer
beliebigen Alarmsignalfrequenz und schrittweise ansteigender oder wechselnder Signallautstärke
benötigt, wobei die integrierte Schaltung ohnehin zur Steuerung der Zeitfunktionen
der Uhr oder des Uhrenradios vorhanden ist und in die vorhandene integrierte Schaltung
einfach und kostengünstig die Zusatzschaltung zur Erzeugung der unterschiedlichen
Lautstärken eingebaut werden kann.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Lösung ist dadurch
gekennzeichnet, daß der elektronische Schalter mit einer Impulsbreiten-Steuerschaltung
verbunden ist, die Impulse mit konstanter aber beliebiger Wecktaktfrequenz und unterschiedlicher,
vorzugsweise ansteigender Impulsbreite an den elektronischen Schalter abgibt.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Lösung
ist dadurch gekennzeichnet, daß die Impulsbreiten-Steuerschaltung Impulse mit in
vier Stufen ansteigender Impulsbreite an den elektronischen Schalter abgibt, wobei
die Impulsbreite
nach einer vorgebbaren Zeitdauer jeweils verdoppelt
und damit die Lautstärke erhöht wird, wobei vorzugsweise die Impulsbreite in der
ersten Stufe 1/16, in der zweiten Stufe 1/8, in der dritten Stufe 1/4 und in der
vierten Stufe 1/2 der Periodendauer der Impulsfrequenz beträgt.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Lösung
ist dadurch gekennzeichnet, daß der elektronische Schalter aus einem Transistor
besteht, dessen Kollektor-Emitter-Strecke in Reihe zur Parallelschaltung der Induktivität
und des Piezoelements geschaltet ist und dessen Basis an den Ausgang der Impulsbreiten-Steuerschaltung
angeschlossen ist, wobei antiparallel zur Durchlaßrichtung der Kollektor-Emitter
Strecke des Transistors eine Diode geschaltet ist.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Impulsbreiten-Steuerschaltung sind
den Merkmalen der Patentansprüche 8 bis 14 zu entnehmen.
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Schließlich ist eine vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen
Lösung dadurch gekennzeichnet, daß die Impulsbreiten-Steuerschaltung Teil einer
die Steuerelektronik für die elektronisch gesteuerte Uhr oder das Uhrenradio enthaltenden
integrierten Schaltung ist und über einen einzelnen bidirektionalen Anschluß mit
der Basis des Transistors verbunden ist, wobei der bidirektionale Anschluß mit mehreren
Schaltern oder Tasten der elektronisch gesteuerten Uhr oder des Uhrenradios und
mehreren Ausgabevorrichtungen verbunden ist.
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Anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles
soll der der Erfindung zugrunde liegende Gedanke näher erläutert werden.
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Es zeigen: Fig. 1 eine Prinzipschaltung zur Ansteuerung eines Piezoelements
gemäß der erfindungsgemäßen Lösung, Fig. 2 eine Prinzipschaltung der Impulsbreiten-Steuerung
und Fig. 3 ein Impulsdiagramm des Wecktaktes mit ansteigender Impulsbreite Fig.
4 ein Schaltbild zur Beschaltung einer integrierten Schaltung einer analog anzeigenden
Uhr mit Wecksystem.
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Bei der in Figur 1 dargestellten Prinzipschaltung zur Ansteuerung
eines Piezoelementes ist in Reihe zur Kollektor-Emitter-Strecke eines Transistors
7 die Parallelschaltung eines Piezoelementes 8 mit der Reihenschaltung einer Induktivität
9 und eines Widerstandes 90 geschaltet. Während die Parallelschaltung des Piezoelementes
8 mit der Induktivität 9 an eine positive Spannungsversorgung + V angeschlossen
ist, ist der Emitter des Transistors 7 mit Masse- bzw.
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Bezugspotential verbunden. Parallel zur Kollektor-Emitter-Strecke
des Transistors 7 ist mit anodenseitigem Anschluß an das Masse- bzw. Bezugspotential
eine Diode 10 geschaltet.
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Die Basis des Transistors 7 ist über einen Widerstand 70 mit einer
in einer integrierten Schaltung 2 zur Ansteuerung einer Uhr oder eines Uhrenradios
enthaltenen Impulsbreiten-Steuerschaltung 20 verbunden.
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Die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Anordnung zur Erzeugung unterschiedlicher
I.autstärken bei der Abgabe eines Wecktones einer elektronisch gesteuerten Uhr oder
eines Uhrenradios soll nachstehend anhand dieser Prinzipschaltung näher erläutert
werden: Grundsätzlich können bei einem Piezoelement größere Schwingungsamplituden
bzw. größere Lautstärken dadurch erreicht werden, daß man die Piezoscheibe entweder
in Resonanz betreibt oder außerhalb der Resonanz mit einer höheren Spannung versorgt.
Selbstverständlich können auch im Resonanz fall größere Lautstärken bzw. größere
Schwingungsamplituden des Piezoelementes dadurch erreicht werden, daß größere Versorgungsspannungen
angelegt werden. Im'vorliegenden Fall wird die Piezoscheibe jedoch nicht in Resonanz
betrieben sondern mit einer speziell ausgewählten günstigen Frequenz und die Steigerung
der Lautstärken durch Steigerung der Spannung erreicht.
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Die Anderung der am Piezoelement 8 anliegenden Spannung wird erfindungsgemäß
durch die Abschaltung der parallel zum Piezoelement 8 geschalteten Induktivität
9 und der damit erzeugten Selbstinduktionsspannung U5 beeinflußt.
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Der Abschaltvorgang selbst wird mittels des elektronischen Schalters
bzw. Transistors 7 bewirkt, der wiederum von der Impulsbreiten-Steuerschaltung 20
angesteuert wird.
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Die von dem Piezoelement 8 abgegebene Lautstärke tp ist somit eine
Funktion der von der Induktivität 9 abgegebenen Selbstinduktionsspannung U . Die
Höhe der er-5 zeugten Selbstinduktionsspannung ergibt sich aus der
Gleichung
Wobei L den Wert der Induktivität 9, C die Kapazität des Piezoelementes 8, V5 die
Höhe der Versorgungsspannung, R1 den Wert des in Reihe zur Induktivität 9 geschalteten
Widerstandes 90, R. den Wert des inneren Widerstandes des Transistors 7 und tb die
Einschaltimpulsbreite der an der Basis bzw. dem Kollektor des Transistors 7 anliegenden
Impulse und T das Verhältnis der Induktivität 9 zu dem Gesamtwiderstand R = R1 +
R.
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bedeuten.
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Für tb< T gilt:
Aus dieser Gleichung ergibt sich, daß die Höhe der mittels der Induktivität 9 und
dem Transistor 7 erzeugten Selbstinduktionsspannung U5 eine Funktion der Einschaltimpulsbreite
bzw. Wecktakt-Impulsbreite ist.
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Die Einschaltzeitdauer des Treibertransistors 7, der die in Reihe
geschaltete Induktivität 9 einschaltet, so daß die Einschaltzeitdauer des Treibertransistors
7 letztlich die Schaltzeit der Induktivität 9 ist, ist ein Maß für die Größe des
magnetischen Feldes, das sich in der Induktivität 9 aufbaut. Wird die Induktivität
9 also nur kurz eingeschaltet, so ist das elektromagnetischt Feld oder die in der
Induktivität 9 gespeicherte magnetische Energie nur klein, während sie bei längeren
Einschaltzeiten immer größer wird. Dieser Vorgang ist
natürlich
nur bis zur Sättigung der Induktivität 9 steigerbar.
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Das der Erfindung zugrunde liegende Prinzip besteht also darin, die
magnetische Energie der Induktivität 9 durch unterschiedliche Impulsbreiten zu verändern,
so daß die von der Induktivität 9 abgegebene Selbstinduktionsspannung U5 je nach
Belieben größer oder kleiner und damit die an den Elektroden des Piezoelementes
8 anliegende Spannung größer oder kleiner wird, so daß entsprechend die von dem
Piezoelement abgegebene Lautstärke sich in etwa proportional zur jeweiligen Impulsbreite
verändert. Dabei sind die Impulsblöcke nur so groß, daß die Induktivität 9 unterhalb
ihres Sättigungsbereiches arbeitet.
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Ausgehend von diesen Beziehungen ist in Fig. 2 eine Anordnung zur
Impulsbreitensteuerung dargestellt, die in n-Stufen (n=4) Impulsfolgen unterschiedlicher
Impulsbreite bei gleicher Wecktaktfrequenz von z.B.
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fWT = 512 Hz abgibt.
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In Fig. 2 ist eine Prinzipschaltung der Impulsbreiten-Steuerschaltung
20 dargestellt, die aus der Verknüpfung mehrerer logischer Elemente sowie zweier
Flip-Flops besteht. Der Impulsbreiten-Steuerschaltung werden mehrere von einer nicht
näher dargestellten Frequenzteilerkette abgegebene Frequenzen eingegeben sowie ein
Rücksetztakt auf einer RESET-Leitung 16 und ein 16-Sekundentakt auf einer Leitung
17. Am Ausgang einer ersten Gatterschaltung 30 wird der Wecktakt WT abgegeben, der
aus Impuls folgen unterschiedlicher Impulsbreite zur
Erzeugung
unterschiedlicher Lautstärken besteht.
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Im vorliegenden Ausführungsbeispiel werden vier unterschiedliche Impulsbreiten
zur Erzeugung von vier unterschiedlichen Lautstärken des Piezoelementes abgegeben.
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Die erste Gatterschaltung 30 enthält ein erstes NAND-Gatter 31, an
dessen Ausgang der bereits erwähnte Wecktakt WT mit unterschiedlichen Impulsbreiten
ansteht und dessen Eingänge mit den Ausgängen zweier vorgeschalteter MAND-Gatter
32, 33 verbunden sind An dem einen Eingang des zweiten NAND-Gatters 32 liegt ein
1 Hz-Signal an, während der zweite Eingang des zweiten NAND-Gatters 32 mit dem Ausgang
eines UND-Gliedes 61 verbunden ist. Dieses UND-Glied 61 besteht aus einem NAND-Gatter
mit fünf Eingängen und einem nachgeschalteten Negationsglied. Am einen Eingang des
dritten NAND-Gatters 33 der ersten Gatterschaltung 30 liegt ein negiertes 1 Hz-Signal
an, während der zweite Eingang dieses dritten NAND-Gatters 33 mit dem Ausgang eines
NAND-Gatters 45 mit vier Eingängen einer zweiten Gatterschaltung 40 verbunden ist.
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Diese zweite Gatterschaltung 40 enthält neben dem eben erwähnten NAND-Gatter
45 vier weitere NAND-Gatter 41 bis 44, die jeweils drei Eingänge aufweisen. Die
Ausgänge dieser vier NAND-Gatter 41 bis 44 sind mit den Eingängen des weiteren NAND-Gatters
45 verbunden.
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Die Eingänge der vier NAND-Gatter 41 bis 44 der zweiten Gatterschaltung
40 sind sowohl mit den Ausgängen bzw.
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negierten Ausgängen zweier vorgeschalteter Flip-Flops
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12 als auch jeweils mit den Ausgängen mehrerer UND-Glieder 51 bis 53 einer dritten
Gatterschaltung 50 bzw. mit der Weckfrequenz von beispielsweise 512 Hz beaufschlagt.
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Das erste NAND-Gatter 41 ist eingangsseitig mit dem Ausgang eines
dritten UND-Gliedes 53 der dritten Gatterschaltung 50 und mit dem negierten Ausgang
Q1 des ersten Flip-Flons 11 sowie mit dem negierten Ausgang Q2 des zweiten Flip-Flops
12 verbunden. Das zweite NAND-Gatter 42 ist mit dem Ausgang eines zweiten UND-Gliedes
52 der dritten Gatterschaltung 50 und mit dem Ausgangssignal Q1 des ersten Flip-Flops
und dem negierten Ausgang Q2 des zweiten Flip-Flops verbunden.
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Das dritte NAND-Gatter 43 der zweiten Gatterschaltung 40 ist eingangsseitig
sowohl an den Ausgang eines ersten UND-Gliedes 51 der dritten Gatterschaltung 50
als auch an den negierten Ausgang Q1 des ersten Flip-Flops und den Ausgang Q2 des
zweiten Flip-Flops angeschlossen. Schließlich sind an die Eingänge des vierten NAND-Gatters
44 der zweiten Gatterschaltung 40 ein 512 Hz-Wecktaktfrequenz-Signal sowie das Ausgangssignal
Q1 des ersten Flip-Flops 11 und das Ausgangssignal Q2 des zweiten Flip-Flops 12
gelegt.
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Die UND-Glieder 51 bis 53 der dritten Gatterschaltung 50 bestehen
jeweils aus einem NAND-Gatter mit zwei Eingängen und nachgeschaltetem Negationsglied.
An die Eingänge des ersten UND-Gliedes 51 der dritten Gatterschaltung 50 sind ein
512 Hz-Signal und ein 1024 Hz-Signal gelegt. Ein Eingang des nachgeschalteten zweiten
UND-Gliedes 52 ist an den Ausgang des ersten UND-Gliedes
51 angeschlossen,
während der zweite Eingang dieses UND-Gliedes mit einer Impulskette von 2048 Ilz
beaufschlagt ist. Schließlich ist ein Eingang des nachgeschalteten dritten UND-Gliedes
53 mit dem Ausgang des zweiten UND-Gliedes 52 verbunden, während an den anderen
Eingang eine Frequenz von 4096 Hz angelegt ist.
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Der Ausgang des dritten UND-Gliedes 53 der dritten Gatterschaltung
50 ist - wie bereits erwähnt - zum einen an einen Eingang des ersten NAND-Gatters
41 der zweiten Gatterschaltung 40 und zusätzlich an einen der fünf Eingänge des
UND-Gliedes 61 angeschlossen.
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Die weiteren Eingänge des UND-Gliedes 61 sind mit steigenden Frequenzen
von 8192 Hz , 16384 Hz, 32768 Hz und 65536 Hz beaufschlagt.
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Der Takt-Eingang Ck des ersten Flip-Flops 11 ist über ein UND-Glied
13 an die Leitung 17 mit dem bereits erwähnten 16-Sekundentakt und an den Ausgang
eines weiteren NAND-Gatters 15 angeschlossen, an dessen beide Eingänge zum einen
das Ausgangssignal Q1 des ersten Flip-Flops 11 sowie das Ausgangssignal Q2 des zweiten
Flip-Flops 12 anliegt.
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Beide Flip-Flops 11, 12 sind an die Rücksetzleitung 16 angeschlossen.
Der Takteingang k des zweiten Flip-Flops 12 ist darüber hinaus mit dem Ausgang Q1
des ersten Flip-Flops 11 verbunden.
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Mit Hilfe der in Fig. 2 dargestellten logischen Verknüpfungen werden
die gewünschten lmpulsbreiten zur
Erzeugung ansteigender Wecklautstärken
erzeugt.
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Um den Schaltungsaufwand zur Impulsbreitenerzeugung zu reduzieren,
werden dabei binäre Teilerverhältnisse zugrunde gelegt.
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Anhand des in Fig. 3 dargestellten Impulsdiagrammes des Wecktaktes
mit ansteigender Impulsbreite soll die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Anordnung
näher erläutert werden. In Fig. 3a sind Impulsfolgen mit ansteigenden Impulsbreiten
dargestellt, wobei die erste Impulsfolge 1/16 der Periodendauer t von beispielsweise
2 ms beträgtj die p zweite Impulsfolge eine Impulsbreite von 1/8 der Periodendauer
t aufweist, während die dritte Impulsp folge eine Impulsbreite von 1/4 der Periodendauer
und die vierte Impulsfolge eine Impulsbreite in Höhe von 1/2 der Periodendauer aufweist.
Der Wecktakt beträgt bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel fWT= 512 Hz.
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Bei Auslösung des Wecktaktes beispielsweise durch Schließen eines
Ziffernblatt-Schalters des Uhrwerkes oder nach Ablauf der Weckwiederholungszeit
von beispielsweise 8 Minuten beginnt der Wecktakt mit einer Impulsbreite von 1/16
der Periodendauer von beispielsweise 2 ms. Nach jeweils 16 Sekunden durch die Vorgabe
auf der Taktleitung 17 wird die Impulsbreite jeweils verdoppelt und damit die von
dem Piezoelement 8 abgegebene Lautstärke erhöht. Nach Ablauf der vier Stufen, entsprechend
64 Sekunden, ist die maximale Lautstärke des Piezoelements 8 erreicht. Diese wird
bis zu einer neuen Wecktaktauslösung, beispielsweise durch Schließen
des
Ziffernblatt-Schalters oder nach Mauf der Weckwiederholungszeit bcsibchalten.
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Wie in Fig. 3b dargestellt ist, kann anstelle eines Wecktones mit
in Stufen ansteigender Lautstärke auch ein intermittierender Weckton mit ansteigender
Lautstärke nach dem Prinzip der vorliegenden Erfindung verwirklicht werden. Dabei
wechselt ein Wecktakt-Block mit einer Wecktaktfrequenz von 512 Hz und eine Wecktaktpause
ab. Zu diesem Zweck wird bei der in Fig. 2 dargestellten Anordnung der Impulsbreiten-Steuerschaltung
das 1 Hz- bzw. 1 Hz-Signal dem NAND-Gatter 32 bzw.
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33 der ersten Gatterschaltung 30 eingegeben. Die Impulsblöcke bzw.
Impulspausen weisen demnach eine Zeitdauer von 500 ms auf, wobei die Wecktakt-Ein-Impulsblöcke
aus einzelnen Impulsblöcken unterschiedlicher Impulsbreite zusammengesetzt sind.
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In Fig. 4 ist ein Anwendungsbeispiel der erfindungsgemäßen Anordnung
mit der Beschaltung einer integrierten Schaltung einer analog anzeigenden Uhr mit
Wecksystem dargestellt.
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Die analog anzeigende Uhr weist einen integrierten Analoguhren-Schaltkreis
2 auf, der die zeitanzeigenden Mittel der Uhr steuert und regelt. Der integrierte
Analoguhren-Schaltkreis ist an eine Vcrsorgungsspannungquelle 1 von beispielsweise
1,1 V bis 1,8 V angeschlossen.
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Der integrierte Analoguhren-Schaltkreis 2 enthält die in Fig. 2 dargestellte
Impulsbreiten-Steuerschaltung 20, die über einen bidirektionalen Anschluß 3 mit
verschiedenen Schaltern 4, 5, 6 sowie über einen Widerstand 70 mit der Basis des
Transistors 7 verbunden ist. In
Reihe zur Kollektor-Emitter-Strecke
des Transistors 7 ist die Parallelschaltung der Induktivität 9 mit dem Piezoelement
8 vorgesehen.
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An den bidirektionalen Anschluß 3 ist als erster Schalter ein Zifferblatt-Schalter
4 über einen Widerstand 18 angeschlossen, der bei Erreichen einer bestimmten Uhrzeit
schließt und damit ein Signal an den bidirektionalen Anschluß 3 abgibt. Ein ebenfalls
an den bidirektionalen Anschluß 3 angeschlossener Schalter bzw. Taster 5 dient der
Ausschaltung des Alarms, während ein weiterer Taster bzw. Schalter 6 der Einschaltung
der Weckwiederholung dient. Dieser Taster bzw. Schalter 6 ist über einen Widerstand
19 mit dem negativen Pol der Spannungsquelle 1 verbunden.
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Durch Schließen des Zifferblatt-Schalters 4 bzw. durch Zeitablauf
bei eingeschaltetem Weckwiederholungsschalter 6 wird der obengenannte Vorgang der
Alarmabgabe mit ansteigender Lautstärke ausgelöst. Dabei wird der Transistor 7 im
Takte der Weckfrequenz ein-und ausgeschaltet und gibt dabei Impulsfolgen mit ansteigender
Impulsbreite an die Induktivität 9 ab, die in oben beschriebener Weise unterschiedliche
Selbstinduktions-Spannungen an die Elektroden des Piezoelementes 8 anlegt, so daß
unterschiedliche Wecklautstärken erzielt werden.