JPS6035637B2 - 電子時計 - Google Patents

電子時計

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JPS6035637B2
JPS6035637B2 JP50067819A JP6781975A JPS6035637B2 JP S6035637 B2 JPS6035637 B2 JP S6035637B2 JP 50067819 A JP50067819 A JP 50067819A JP 6781975 A JP6781975 A JP 6781975A JP S6035637 B2 JPS6035637 B2 JP S6035637B2
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JP
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frequency
signals
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宏夫 藤田
滋 諸川
明 都筑
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Citizen Watch Co Ltd
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Citizen Watch Co Ltd
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Publication date
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Priority to DE2621532A priority patent/DE2621532C2/de
Priority to CH668576A priority patent/CH619832B/xx
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Publication of JPS6035637B2 publication Critical patent/JPS6035637B2/ja
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    • GPHYSICS
    • G04HOROLOGY
    • G04GELECTRONIC TIME-PIECES
    • G04G3/00Producing timing pulses
    • G04G3/02Circuits for deriving low frequency timing pulses from pulses of higher frequency
    • G04G3/027Circuits for deriving low frequency timing pulses from pulses of higher frequency by combining pulse-trains of different frequencies, e.g. obtained from two independent oscillators or from a common oscillator by means of different frequency dividing ratios
    • GPHYSICS
    • G04HOROLOGY
    • G04GELECTRONIC TIME-PIECES
    • G04G7/00Synchronisation

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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Stabilization Of Oscillater, Synchronisation, Frequency Synthesizers (AREA)
  • Electric Clocks (AREA)
  • Oscillators With Electromechanical Resonators (AREA)
  • Manipulation Of Pulses (AREA)
  • Vibration Prevention Devices (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はAT板水晶発振器の如き高安定な高周波信号源
を時間基準信号源とする電子時計において、高周波信号
源とは独立した第2の信号源を付加して2つの信号源の
協力により計時信号を作る低消費電力の時計システムに
関するものである。
AT板水晶は固有共振周波数が高く、良好な温度一周波
数特性を持ち、Q値が高いなど時間基準信号源として好
適であるが、その固有共振周波数が高いため、現在の水
晶時計に用いられているような低周波水晶の場合に比べ
、発振、分周における消費電力の増加が起こり、電子時
計にとって重要な要求である電池の消費を少くする事が
非常に困難である。本発明の目的はAT板水晶の如き高
周波水晶を用いた高精度でかつ電池寿命の長い時計を提
供することにある。
低消費電力で計時のための単位信号を得るために高精度
な第1の時間基準信号源とは独立した第2の時間比較信
号源を付加して、時間基準信号の直後の分周は行なわな
いで、第1、第2の2つの信号の波形比較を行ないなが
ら等価的に時間基準信号を分周したことに等しい信号を
作成する。本発明による計時システムは第1の時間基準
信号と第2の時間比較信号の2つの信号の積極的な位相
同期を行なわせるフェィズロツクの如きク。ーズドル−
プは構成しないで、前記2つの信号源を自由な発振、駆
動状態に保ち、ある時間タイミング毎に2つの信号の波
形比較を行ないながら計時信号を作うという、いわゆる
オープンループ型システムである。次に図面を用いて本
発明の詳細を説明する。
以下の説明において第1の時間基準信号を日・F信号、
第2の時間比較信号をL・F信号で表わす。第1図に本
発明による時計のシステムフロック図を示す。11は日
・F信号源で安定な周波数f,の日・F信号を発生する
12はL・F信号源で周波数らのL・F信号を発生する
13は波形比較機構である。
日・F信号とL・F信号をあるタイミングで波形比較し
、両信号の位相のズレに対応して比較信号を発生する。
14は13の波形比較機構で得られた比較信号の分筒器
である。
15は分周された比較信号とL・F信号の演算を行なう
加算機構で、その出力信号は精度のあまり高くない比較
信号の分局された信号L・F信号と演算処理されて日・
F信号の精度が転送された精度の高い信号となっている
16は加算機構出力信号の分周器で、計時の単位信号を
作成する。
17は計時単位信号を計数して時刻を維持する時刻保持
機構である。
18は時刻を表示する時刻表示機構である。
19は時間合せ、修正等を行なう制御機構である。
次にその動作を第1図、第2図のもとずし、て説明する
第2図の符号1は日・F信号、第2図2はL・F信号で
ある。
L・F信号は周波数は日・F信号の周波数に対してある
端数の周波数成分を持つ。即ちf,とf2の比の値はf
,/f2=(整数)十(小数)で表わされる。L・F信
号の1周期は日・F信号の(N+Q)周期に相当する。
ここでNは整数、Qは絶対値1以下の実数である。基準
信号となる日・F信号に対してL・F信号は多少の不安
定性が許され、Q成分は時間と共に変化してもよい。
.第2図の符号3に日・F信号とL・F信号の波形比較
の様子を示す。
L・F信号と日・F信号の位相の関係を仮にL・F信号
の立ち上がりから次の日・F信号の立ち上がりまでの時
間で表わすとする。Qが0でなければ第2図の符号3に
示すように比較された位相量が周期的に増加減少をくり
返す。
第2図の符号4に波形比較情報を表わす。
波形比較器の構成に依存して波形比較情報は種々の物理
量で表わされるが、例えば電荷量の形で表わせば、日・
F信号に対するL・F信号の位相比較量に応じた電荷量
が得られる。第2図の符号4に示した例では波形比較情
報はL・F信号に同期している。波形比較情報に対して
ある検出レベルを設けておき、この検出レベル以下の波
形比較情報が得られたときを比較信号とする。
即ち波形比較機構13は2つの信号の位相関係を検出し
て、その1周期毎に1個のパルスを比較信号として出力
する。
これを第2図の符号に示す。第2図の符号2に示すよう
にL・F信号があるn.,−,n3・・・周期毎に比較
信号が得られたものとする。
n,,仏,n3・・・はL・F信号の不安定性のために
一定ではない。比較信号の各々1周期にふくまれる日・
F信号の個数を第2図の符号1に示すようにp,,p2
,p3・・・とするとp,,p2,p3・・・もL・F
信号の要素をふくむために一定数ではない。
i番目の比較信号について考える。
その比較信号の1周期にふくまれている日・F信号の個
数pjはpi=niN±1で表わされる。
niはL・F信号の個数である。比較信号がi回得られ
るときには亨pi=Nふi士i で表わされる日・F信号の個数がふくまれている。
i:N番目を考えると、そのときまでにふくまれている
日・F信号の個数はi茎.pi:N(母ni±・) i=1 謙周す他日・F信号の個数‘ま卓,ni±1となる。
但し複号はQ>0のとき十,Q<0のとき−である。比
較信号N周期毎に比較信号の分周期14に1パルスの出
力が発生するが、この時間内に日・F信号はi≦.岬期
、L‐F信号は葦.ni周期の信号を発生していて、加
算機構15は比較信号の分周期14の出力とL・F信号
を演算して学ni±1周期の信号を作り出す。こ机ま正
確‘こH‐F信号為こ比も肌等しし、。即ち比較信号を
諸肌た信号とL●F信号の加算演算を行なえば、比較信
号のN回の測定毎に正しい時間情報が得られる。
この正しい時間情報信号をさりこ分周すれば計時単位が
得られる。以上第1図及び第2図で説明した如く、この
計時システムは日・F信号の分周器は全く用いることな
く日・F信号の情報が正確に転送された信号を作ること
ができ、低消費電力で計時のための単位信号を作成する
ことが可能である。即ち日・F信号を1/N分周する代
り‘こ日・F信号とL・F信号との波形比較の出力信号
を1/N分周することにより消費電力を節約している。
L・F信号の周期Tに対して許される誤差△Tは波形比
較機構13のノイズ除去能力により異なるものであるが
、一般にはT士△T=壬(N十Q。
十△Q)とおいたときQo 十△Qの変動範囲が1をこ
えては不都合である。またIQo lが1′2に近いと
ノイズ除去が面倒になるのでQoは4・さし、方が好ま
しい。加算機構の構成の容易さから言ってQo+△Qが
定符号であること、さらには正であることが望!ましい
従って仮にQo:4,△Q<鼻とすれは △T<左 従って学くず=左 以上の如くL・F信号の発振安定度は分周率と比較信号
にふくまれるL・F信号の個数によって決定される。
L・F信号としては日・F信号に近い様な高周波信号を
用いるほど発振安定度はラフなものでよいが逆に分周率
が少なくなり消費電力の低減効果は少なくなるので、必
要な安定度が得られる信号源であればL・F信号はでき
るだけ低周波数であることが電力低減にとり好ましい。
例として日・F信号として4MHZ,L・F信号として
32KHZ、比較信号がni=4のL・F信号をふくむ
ものとしてL・F信号の発振安定度を求めれば量×雲美
×.葦ぴ三2×10−3 実際のL・F信号源の構成にあたってはL・F信号の発
振安定度が良くなるほど、波形比較のタイミング誤差が
少なくなるので、計算で得られる安定度よりもさらに上
位の安定度を持たせるのが好ましい。
このシステムではL・F信号の安定度が低くても正しい
時間情報が得られる事に特徴があり、たとえ波形比較機
構14がノイズのために誤動作しても時間情報信号の及
ぼす影響は誤動作の1回当り日・F信号の1周期1/f
,であるからシステム全体としての安定度は非常に良い
第3図に本発明の第1の実施例を示す。
31は日・F信号源、32はL・F信号源である。
33はトリガセツト・トリガリセツト型フリツプフロツ
プである。
34は33のフリツプフロップ出力信号を電荷量に変換
するりセット機構をそなえた電荷保持機構である。
34はローパスフィルターで、36はローパスフイルタ
ー出力の波形整形機構である。
33,34,35,36のブロックが第1図に示した波
形比較機構を構成する。
33のフリツプフロツプのTs入力端にL・F信号、T
r入力端に日・F信号をそれぞれ入力して、日・F信号
とL・F信号の位相の関係をL・F信号のタイミングで
比較する。
フリップフロップ33の出力Qを電荷保持機構34に入
力して、出力Qの状態に応じた電荷量を発生させる。位
相の比較をL・F信号の立ち上がりで開始するならばL
・F信号の立ち上がりによってたくわえ始められた電荷
をL・F信号のオン状態の間保持していて、L・F信号
の立ち下がりで放電させる。このようにして第2図−4
に示すような形の波形比較情報を得る。ローパスフィル
夕−35は得られた波形比較情報の高周波成分を除去し
て基本波を取り出し、また信号の位相ゆらぎ(ジツター
)の除去を行なう。
このローパスフィルターはそれ自身遅延動作もかねてい
て第1図の符号15に示す加算機構での動作を確実にす
る。波形整形機構36はローパスフィルター出力の基本
波を方形波に変換するもので36の出力が第2図−51
こ示すよぅ枇腕号となり幹周器37に入力される。
38‘ま幹周器37の分周器出力とL・F信言号の周波
数加算を行なう。
前述した如くQ>0と設定すれば周波数の加算となり2
つの信号のEXCLUSIV−ORで構成すればよい。
またQ<0の場合には周波数の減算となる。この加算器
38の周波数加算出力信号は計時のための基準となる周
波数鷺であり、H‐唯号を正欄音分肌た周波数に等しい
周波数である。
この$信号をさらに分周器39でM粉欄すれば計時のた
めの単位信号瓜が得られる。
静周器37及び影周器39緋同期型似 ィナリー型分周器で構成すれば 2(N+N)=f,となる。
第4図に第3図のトリガセツト・トリガリセツトフリッ
プフロップ33、電荷保持機構34、ローパスフィルタ
ー35の構成図を示す。
41はトリガセツト・トリガリセツトフリツプフロップ
回路でゲート411にL・F信号、ゲート412に日・
F信号を入力する。
L・F信号の立ち上がりトリガーでセットされ出力Qは
Hレベルとなる。次の日・F信号の立ち上がりトリガで
リセットされて、出力QはLレベルとなる。L・F信号
がHレベルの間、日・F信号のオン・オフにより出力Q
のオン・オフがくり返される。42はL・F信号による
リセット機構付きの電荷保持回路である。
フリツプフロツプ41の出力QがHレベルになるとトラ
ンジスタのゲート421が開かれコンデンサー422に
電荷がチャージされる。トランジスター424は抵抗を
構成していて定電流源として働らく。トランジスター4
23はコンデンサーの電荷を放電させるためにL・F信
号の立ち下がり動作、即ちフリップフロップ41のTs
入力端と逆極性のタイミングで電荷保持のリセット動作
を行なう。電荷がコンデンサーにチャージされていると
きはトランジスター423はカットオフ状態である。
出力QがLレベルになるとトランジスター421はカッ
トオフされるが電荷はチャージされたままの状態を保持
している。次にL・F信号が立・ち下がりLレベルにな
るとコンデンサーにチヤ−ジされている電荷が放電され
る。43はローパスフィルタ−の構成回路である。
ローパスフイルターを積分回路R.C,,R2C2のシ
リーズ接続で構成する。〇ーパスフイルターは電荷保持
回路42の出力の高調波成分及びジッター除去を行ない
基本波成分を取り出す動作を行なつ。本システムにおけ
るローパスフィルターは回路のQ値などの制限はゆるや
かである。
このような構成の波形比較機構において日・F信号によ
る電力消費を少なくするために日・F信号が入力される
フリツプフロツプでのゲート412と413の日・F信
号からみたインピーダンスを高くすることが必要である
即ちゲ−ト412と413のゲート容量を少なくするこ
とが必要である。第5図に本発明の第2の実施例を示す
51は日・F信号源、52はL・F信号源である。
53はL・F信号のパルスデューティを変換するための
波形変換機構である。
54は○型フリップフロップ、55は積分回路、56は
波形整形機構である。
54,55,56のブロックが第1図に示す波形比較機
構を構成する。
57は比較信号の幹周器、58‘ま第3図の説明と同じ
くEXCLUSIVE−ORで構成した加算器、59は
加鰍出力信号の諸離洲縦断鋤慨される。
D型フリップフロップ54のD入力端に日・F信号を入
力し、波形変換されたL・F信号をクロツクパルスとし
てぐ入力端に入力する。54のフリップフロップに入力
される日・F信号によるフリツプフロップの電力消費を
少なくする目的のために50%デューティのL・F信号
のデューティ変換を行なう。
デユーテイが小さくなるほどフリツプフロツプ54での
日・F信号による電力消費は少なくなる。
波形変換されたL・F信号をL・F′信号とすれば、L
・F′信号がHレベルのとき入力DがHレベルとなれば
出力QはHレベル、入力DがLレベルとなれば出力Qは
Lレベルとなる。
フリップフロップ54の出力Qを積分回路に入力して積
分波出力を波形整形機構56で波形整形して分周器57
に入力する。
分周器出力信号とL・F′信号と周波数加算を行ない基
準信号源氏を作成する。波形比較された信号から計時単
位肩号如を作成するのは第3図での説明と同様である。
三分周器57と37周波数加算EXCLUSIVE−O
Rゲート58と38、敵勝59と39‘まそれ靴対応す
る。第6図aに第5図のL・F信号変側機構、D型フリ
ッブフロツプ回路54の構成を示す。
66はL・F信号変換回路53である。
L・F信号を積分回路に入力するとR・Cの時定数で定
められる積分波が第6図bの如くになる。
第6図bにおいて波形61はL・F信号、波形62は積
分器出力信号である。
この積分器出力信号をィンバータに通すと波形整形され
た方形波63が得られる。この方形波信号63はL・F
信号が遅延された信号であり、このインバータ出力信号
とL・F信号をANDゲートに通すと波形64で示すよ
うなL・F′信号が得られる。即ちこのL・F′信号は
L・F信号のデユ−ブイが変換された信号である。
第6図aにおいて符号65はフリップフロツプで、トラ
ンスミッションゲート(T・G)で構成する。
66で作成されたL・F′信号をクロツクパルスとして
T・Gに入力する。
L・F′信号がHレベルのときはT.○621はオン、
T・G622はオフとなりインバータ632の出力Q,
には日・F信号が現われる。
このときのT.○621の日・F信号入力からQ.出力
のループでの消費電力の節約のためにL・F信号がオン
となる時間はできるだけ短くすることが必要である。L
・F′信号はHレベルのときT・G623はオフ、T・
G624はオンとなりインバータ632の出力信号はT
・G623でカットオフされ、ィンバータ634の出力
Q2は以前の記憶状態が出力される。このときT・G6
23からQ2出力までのループでは日・F信号による電
力消費はない。L・F′信号がLレベルのときはT・G
621がオフ、T・G622がオンとなりインバータ6
32の出力は以前の記憶状態が出力される。
T・G623がオン、T・G624はオフとなりインバ
ータ634の出力はインバータ632の出力がそのまま
現わる。本発明による計時システムではL・F信号の安
定度がある程度低くても正しい時間情報が得られるから
、L・F信号源としては種々のものが考えられる。
先に検討したようにL・F信号安定度は分周率に関係す
る量で、分周率が大きくなるほどL・F信号の安定度を
高めなければならない。即ちL・F信号が低周波数にな
るほど安定度は高めなくてはならない。第7図は水晶発
振器をL・F信号源に用いる場合を示す。
水晶発振器は通常10‐5程度以上の安定度を持ち、本
システムにおいては十分な安定度である。水晶発振周波
数は水晶振動子の切り出し角度、形状、寸法に依存する
が十50×カット型水晶を用いれば腿HZ〜3狐HZ程
度の周波数が容易に得られる。符号71は十50×カッ
ト型水晶であり符号72は増幅作用を行なうィンバータ
である。
水晶振動子71の入出力間に10MO程度の直流帰還抵
抗R,を接続する。ある適当な寸法、形状を持たせれば
C,=1皿F,C2=坪F,R2=30血0程度とすれ
ば3兆HZ程度の発振周波数が得られる。73は波形整
形を行なうインバータである。
第8図にC/MOSを利用したCR発振器をL・F信号
源とする場合を示す。時計用電子回路には現在C/MO
Sが一般的に使用されていて、L・F信号源を時計回路
を構成するC/MOSと一体化して集積化されれば都合
が良い。
CR発振器は水晶発振器ほどの安定度を持たせることは
困難であるが、数10KHZ程度の発振器周波数で10
‐ろ呈度の安定度を持たせることは可能である。8図a
に示すCR発振器はィンバータ2個と容量及び抵抗で構
成し、トリガー入力が加わらないでも周期的な方形波を
発生する。
インバー夕Bの出力がHレベルであると仮定すれば、容
量Cは電源電圧V。
までチャージされて、インバータAの出力はLレベルで
ある。抵抗Rを介して容量Cを放電する働らきが起こる
が、放電状態に対応してィソバータAの入力端も変化し
、ある電圧に達するとインバータの反転が起こり、イン
バータAの出力はLレベルからHレベルになる。次にイ
ンバータBの出力はLレベルとなり容量Cは完全放電状
態になっている。ィンバータAの出力がHレベルである
ために今度は容量Cを充電する働らきが起こり、充電状
態に対応してィンバータAの入力端の電圧が変化しある
電圧値に達すると再びィンバータに反転が起こる。以上
の動作がくり返し、第8図bに示すように周期的な方形
波81,82を発生する。
81はィンバータBの出力、82はインバータAの出力
に対応する。
発振出力波は回路に印加される電圧Vo、素子のスレシ
ョールド電圧VT、及び回路定数C,Rによって決定さ
れる。VD=1.5V,VT=1.1Vと仮定した場合
、C=IPFとした場合 R=10山MQの場合周波数
f2=2泌HZ、R=5■MQの場合f2=4巡HZ程
度となる。
抵抵抗Rを可変抵抗とすれば周波数の微調整が行なわれ
る。L・F信号源の構成として水晶発振器、C/MOS
−CR発振器の例を示したがL・F信号源としてはこの
他にもL・C発振器、圧電音片、音サ等いろんな種類の
ものが考えられる。
時間基準信号源としては前述の如くAT板水晶発振器が
好適である。
AT板水晶発振器は第7図に示した×カット水晶発振器
と同様の構成されてMHZ帯の発振周波数、例えば4M
HZ、母MH2などが可能である。9図に4MHZ発振
回路を示す。
9 1は4MHZ AT板水晶である。
92はC/MOSで構成されるィンバータで増幅作用を
行なう。
93は直流帰還抵抗で電源電圧1.5Vの場合10MQ
である。
C,=20PFC2=兜Fで発振が行なわれ94のィン
バータで波形整形を行なう。なおC,の容量を可変とし
て発振の微調整を行なう。日・F信号としては山MHZ
周波数の他に8MH2周波数の場合も考えられるが、日
・F信号源、L・F信号源の選定は時計システム全体の
仕様を考えて決定される。以上述べた如く本発明による
と高周波信号源を用いても極めて低消費電力で時計が完
成されて電池の長寿命が可能である。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明のシステムフロック図、第2図はシステ
ム動作波形図、第3図は本発明の第1実施例を示すブロ
ック図、第4図は第1実施例の波形比較機構の1部の構
成回路を示す図、第5図は本発明の第2実施例を示すブ
ロック図、第6図aは第2実施例のL・F信号変換部及
び波形比較機構の1部の構成回路を示す図、第6図bは
第6図aの波形図、第7図はL・F信号源の水晶発振器
での構成図、第8図a及びbはL・F信号源のC/MO
S−CR発振器での構成図及び波形図、第9図は日・F
信号源の水晶発振器での構成図である。 11・…・・日・F信号源、12・・…・L・F信号源
、13…・・・波形比較機構、15…・・・加算機構、
33……トリガセツト・リセツトフリツプフロツプ、3
4・・・・・・電荷保持機構、35・・・・・・ローパ
スフィルター、63・…・・L・F信号変換機構、54
・・・・・・Dフリツプフロップ、71・・・・・・低
周波水晶、91・・・・・・高周波水晶。 矛′図 才2図 才3図 才4図 汁5図 オり図でQ) 才6図(の 才7図 汁8図でQ) 才8図仏J ★0図

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 1 第1の時間基準信号源と、該第1の時間基準信号源
    とは独立し、該第1の時間基準信号源とは予め定められ
    た2以上の整数倍にほぼ等しい周期を持つ第2の時間基
    準信号源と、第1の時間基準信号源と第2の時間比較信
    号の波形の位相比較回路と、該位相比較回路の出力を前
    記整数分の1に分周した信号と、前記第2の時間比較信
    号を加算して計時信号を作成することを特徴とする電子
    時計。
JP50067819A 1975-06-05 1975-06-05 電子時計 Expired JPS6035637B2 (ja)

Priority Applications (5)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP50067819A JPS6035637B2 (ja) 1975-06-05 1975-06-05 電子時計
US05/685,192 US4024416A (en) 1975-06-05 1976-05-10 Method for controlling frequency of electrical oscillations and frequency standard for electronic timepiece
GB19445/76A GB1545922A (en) 1975-06-05 1976-05-11 Method for controlling frequency of electrical oscillations and frequency standard for electronic timepiece
DE2621532A DE2621532C2 (de) 1975-06-05 1976-05-14 Verfahren zum Erzeugen eines elektrischen Signals mit konstanter vorbestimmter Frequenz
CH668576A CH619832B (de) 1975-06-05 1976-05-26 Verfahren zur erzeugung von elektrischen schwingungssignalen und vorrichtung zur durchfuehrung des verfahrens.

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