DE2539774C3

DE2539774C3 - Verfahren und Vorrichtung zur Synchronisation einer mit einem mechanischen Schwingsystem als Gangregler versehenen Uhr

Info

Publication number: DE2539774C3
Application number: DE19752539774
Authority: DE
Inventors: Herbert 7732 Niedereschach Hummel; Hansrichard Dipl.-Phys. Dr. 7730 Villingen Schulz
Original assignee: JAUCH HEINZ DR 7220 VILLINGEN- SCHWENNINGEN
Current assignee: JAUCH HEINZ DR 7220 VILLINGEN- SCHWENNINGEN
Priority date: 1975-03-27
Filing date: 1975-09-06
Publication date: 1978-11-30
Also published as: DE2539774B2; DE2539774A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Synchronisation einer mit einem mechanischen Schwingsystem als Gangregler versehenen Uhr, bei dem ein aus der Bewegung des Schwingsystems abgeleitetes Istsignal in Phase und Frequenz mit durch Frequenzteilung aus einer Quarzoszillation abgeleiteten Taktimpulsen verglichen wird und ein aus diesem Vergleich abgeleitetes Regelsignal elektromechanisch umgewandelt und zur mechanischen. Beeinflussung der Frequenz des Schwingsystems verwendet wird, gemäß Patent 25 13 583. Weiter betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Zur quarzgenauen Synchronisation von mechanischen Uhren ist es bekannt, auf das als Gangregler dienende mechanische Schwingsystem (ζ. Β. Unruh oder Pendel) zusätzlich zu dem Antriebsimpuls ein Antriebsmoment einwirken zu lassen, das von Quarztaktimpulsen gesteuert wird. Eine solche direkte Synchronisation hat vor allen die Nachteile, daß der Synchronisationsbereich nur sehr gering ist und daher bereits sehr hohe Anforderungen an die Ganggenauigkeit des mechanischen Schwingsystems gestellt werden müssen, und daß die Schwingungsamplitude des mechanischen Schwingsystems stark beeinflußt wird. Diese direkte Synchronisation ist daher insbesondere für Pendeluhren praktisch nicht anwendbar.

Aus der DE-PS 25 13 583 ist ein Verfahren der eingangs genannten Art bekannt, bei dem eine indirekte Synchronisation angewendet wird. Diese indirekte Synchronisation erfolgt in der Weise, daß von dem mechanischen Schwingsystem ein der tatsächlichen Schwingungsfrequenz entsprechendes Istsignal abgeleitet wird und dieses Istsignal in Phase und/oder Frequenz mit dem durch Frequenzteilung von einem Quarzoszillator abgeleiteten Taktimpulsen verglichen wird. Aus diesem Vergleich wird ein Regelsignal abgeleitet, das dazu verwendet wird, über einen elektromechanischen Wandler mechanisch ein Glied zu betätigen, das die Frequenz des Schwingsystems beeinflußt. In der genannten Patentschrift sind auch verschiedene Ausführungsformen des die Frequenz des Schwingsystems beeinflussenden Gliedes und seiner mechanischen Betätigung angegeben.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur indirekten Synchronisation von mechanischen Uhren zu schaffen, die einen großen Synchronisationsbereich ermöglichen, einen einfachen Aufbau des die Frequenz des Schwingsystems beeinflussenden Gliedes ermöglichen und eine zuverlässige Wirkungsweise der Synchronisation gewährleisten. Die Vorrichtung soll dabei einfach und preisgünstig herstellbar sein.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Frequenz des Schwingsystems sprung-

_b5 haft zwischen einem über der Sollfrequenz und einem unter der Sollfrequenz liegenden Extremwert umgeschaltet wird, und daß die Verweildauer des Schwingsystems in jedem dieser Extremwerte durch je einen

getrennten Phasenvergleich zwischen dem Istsignal und den Taktimpulsen festgelegt wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren liefert eine Zwei-Punkt-Regelung der Frequenz des mechanischen Schwingsystems. Durch die Wahl der beiden Extremwerte der Frequenz, zwischen denen die Zwei-Punkt-Regelung stattfindet, wird der Synchronisationsbereich des Verfahrens bestimmt Es kann daher erfindungsgemäß ein sehr großer Synchronisationsbereich erhalten werden, was bedeutet daß an die Ganggenauigkeit des mechanischer. Schwingsystems nur verhältnismäßig geringe Anforderungen gestellt werden müssen. Das Verfahren eignet sich daher insbesondere auch zur quarzgenauen Synchronisation von Pendeluhren. Da die Verweildauer des Schwingsystems in jedem der Frequenzextremwerte durch einen unabhängigen Phasenvergleich des Istsignals mit den Quarztaktimpulsen bestimmt wird, kann durch die Wahl der Frequenz der für den Vergleich verwendeten Taktimpulse die maximal mögliche Abweichung der Istfrequenz des mechanischen Schwingsystems von der Taktimpulsfrequenz festgelegt werden.

Zweckmäßigerweise wird die Frequenz der Taktimpulse gleich dem zeitlichen Mittelwert der Frequenz des Schwingsystems oder gleich einem geradzahligen Vielfachen dieser Frequenz gewählt. Werden weiter für die zwei getrennten Phasenvergleiche zwei alternierende von der Quarzoszillation abgeleitete Taktimpulsfolgen verwendet, so kann auf diese Weise eine eindeutige Zuordnung der beiden getrennten Phasenvergleichskanäle zu den Extremwerten der Frequenz sichergestellt werden, was eine besonders zuverlässige Funktionsweise des Verfahrens gewährleistet.

Eine vorteilhafte Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist gekennzeichnet durch zwei Phasenvergleichsstufen, die einerseits einem Quarzoszillator mit anschließendem Frequenzteiler nachgeschaltet und andererseits an einem am Schwingsystem angeordneten mechanoelektrischen Wandler angeschlossen sind und deren Ausgänge an die zwei Umschalteingänge eines auf die Frequenz des Schwingsystems einwirkenden bistabilen elektromechanischen Wandlers angeschlossen sind. Die Phasenvergleichsstufen sind dabei vorteilhafterweise UND-Gatter, die mit alternierende Impulsfolgen liefernden Ausgängen des Frequenzteilers verbunden sind. In einer besonders einfachen Ausführungsform werden die UND-Gatter durch Transistoren gebildet.

Der die Istsignale liefernde mechanoelektrische Wandler kann zweckmäßigerweise aus einer Induktionsspule und einem am Schwingsystem befestigten Permanentmagneten bestehen.

Der bistabile elektromechanische Wandler ist in einer vorteilhaften Ausführungsform ein Stellmagnet mit zwei entgegengesetzt wirkenden Spulen. Durch diese zwei entgegengesetzt wirkenden Spulen des Stellmagnets wird das die Frequenz des Schwingsystems beeinflussende Glied mechanisch zwischen seinen zwei Stellungen umgeschaltet, die den beiden Extremwerten der Schwingungsfrequenz entsprechen. Die Ausgänge der Phasenvergleichsstufen sind dabei zweckmäßigerweise über getrennte Stellsignalkanäle jeweils mit einer der Stellmagnetspulen verbunden. Um ein zuverlässiges Ansprechen des Stellmagneten schon bei einem ersten kurzen Ausgangssignal der Phasenvergleichsstufen zu erhalten, kann in jedem Stellsignal eine Rückkopplungskapazität vorgesehen sein, durch die ein monostabiler Vibrator mit einer dem Stellmagneten angepaßten Einschaltzeit gebildet wird.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert Es zeigt

F i g. 1 die Schaltung einer Vorrichtung gemäß der Erfindung und

F i g. 2,3,4,5 und 6 die zeitliche Aufeinanderfolge der Taktimpulse für die Zweiphasenvergleichsstufen (F i g. 2 und 3) sowie der Istsignale zu einem Zwischenzeitpunkt

ίο (Fig.4) und in den zwei Umschaltzeitpunkten (Fig.5 und 6).

Das in F i g. 1 dargestellte Ausführungssbeispiel soll im folgenden erläutert werden, wobei als Zahlenbeispiel die Synchronisation einer Pendeluhr mit einem »Einsekünden«-Pendel (zeitlich gemittelte Schwingungsfrequenz 0,5 Hz) angegeben wird.

Die Impulse eines Quarzoszillators 10 werden einem handelsüblichen Frequenzteiler 12 zugeführt, der beispielsweise in integrierter Bauweise ausgeführt sein kann. Durch den Frequenzteiler 12 wird die Frequenz der Quarzimpulse von beispielweise 222 Hz über 23 Teilerstufen auf eine Taktfrequenz von 0,5 Hz unterteilt. An den Ausgängen a und b des Frequenzteilers 12 werden alternierende Impulsfolgen dieser Taktfrequenz abgenommen. Dies bedeutet daß z. B. am Ausgang a nur in der ersten, dritten, fünften ... Sekunde und am Ausgang b nur in der zweiten, vierten, sechsten ... Sekunde ein Taktimpuls auftritt In der dargestellten Ausführungsform handelt es sich dabei um positive Impulse, die beispielsweise eine Impulsdauer von jeweils 15,6 ms aufweisen. Die zeitliche Aufeinanderfolge dieser Taktimpulse ist in den F i g. 2 und 3 dargestellt, wobei F i g. 2 die Taktimpulse des Ausgangs a und F i g. 3 die Taktimpulse des Ausgangs b zeigt.

Die Taktimpulse von den Ausgängen a und b werden den Emittern der Transistoren 14 bzw. 14' zugeführt, die in später zu beschreibender Weise als Phasenvergleichsstufen arbeiten.
In einer Induktionsspule 16 wird durch einen an dem Schwingsystem, z. B. dem Pendel, befestigten und mit diesem schwingenden Permanentmagneten ein der momentanen Frequenz des Schwingsystems entsprechendes Istsignal induziert. Dieses Istsignal wird über die kapazitiv angekoppelten Transistoren 18 und 20 verstärkt und über den Kondensator 22 als negativer Impuls an die Basis der Transistoren 14 und 14' geführt. Der zeitliche Verlauf des Istsignals in verschiedenen Zeitpunkten des Zweipunktregelvorganges ist in den Fig. 4 bis 6 dargestellt.

Die Transistoren 14 und 14' arbeiten zum Phasenvergleich zwischen den Quarztaktimpulsen und dem Istsignal als UND-Gatter. Die Transistoren 14 und 14' erzeugen nämlich nur dann einen Kollektorstromimpuls, wenn sowohl der positive Quarztaktimpuls am Emitter als auch der negative Impuls des Istsignals an der Basis gleichzeitig vorhanden sind.

Bei einer solchen Koinzidenz beispielsweise des Quarztaktimpulses vom Ausgang a des Frequenzteilers mit dem Istsignalimpuls am Transistor 14 wird dieser durchgeschaltet. Der Kollektorstromimpuls des Transistors 14 wird an die Basis des Transistors 24 geführt und schaltet diesen Transistor durch. Dadurch wird weiter der Transistor 26 und schließlich der Transistor 28 stromführend.

bj Wird der Transistor 28 auf diese Weise bei einer Koinzidenz von Quarztaktimpuls und Istsignal am Transistor 14 durchgeschaltet, so fließt ein Strom durch die eine Spule 30 eines bistabilen Stelltnagneten, der auf

das die Frequenz des Schwingsystems beeinflussende Glied einwirkt.

Um eine zeitraubende Erregung der Spule 30 und damit ein zuverlässiges Ansprechen des Stellmagneten auch bei einem kurzen Kollektorstromimpuls am Transistor 14 zu gewährleisten, ist in den durch die Transistoren 24, 26 und 28 gebildeten Stellsignalkanal eine Rückkopplung eingeschaltet. Der Kollektor des Transistors 26 ist dazu über einen Rückkopplungskondensator 32 mit der Basis des Transistors 24 verbunden. Ein Widerstand 34 ist zwischen den dem Transistor 24 zugewandten Anschlußpunkt des Kondensators 32 und die mit dem negativen Pol der Spannungsquelle 36 verbundene Versorgungsleitung geschaltet. Auf diese Weise bilden die Transistoren 24 und 26 einen monostabilen Multivibrator, dessen Einschaltzeit durch die aus dem Kondensator 32 und dem Widerstand 34 gebildete Zeitkonstante bestimmt ist. Durch eine geeignete Dimensionierung des Kondensators 32 und des Widerstands 34 kann die Einschaltdauer so gewählt werden, daß ein zuverlässiges Ansprechen des Slellmagneten gewährleistet ist. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist beispielsweise eine Zeitkonstante von 40 ms gewählt.

Bei einer Koinzidenz zwischen dem Taktimpuls vom Ausgang b des Frequenzteilers 12 mit dem Istsignal am Transistor 14' wird in der oben beschriebenen Weise ebenso über die Transistoren 24', 26' und 28' die andere Spule 30' des Stellmagneten erregt. Eine Rückkopplung über den Kondensator 32' bildet auch diesen Stellsignalkanal zu einem monostabilen Vibrator aus, dessen Zeitkonstante durch die Dimensionierung des Kondensators 32' und des Widerstands 34' bestimmt ist. Dieser zweite Steüsignalkana! entspricht in seinem Aufbau und seiner Dimensionierung vollständig dem zuerst beschriebenen.

Die Arbeitsweise der in Fig. 1 dargestellten Schaltung soll im folgenden anhand der F i g. 2 bis 6 erläutert werden:

Es soll zunächst von dem momentanen Zustand des zeitlichen Verlaufs ausgegangen werden, der in den F i g. 2.3 und 4 dargestellt ist. In diesem Zustand fällt das in Fig. 4 dargestellte von dem Pendel der Uhr abgenommene Istsignal weder mit dem in Fig.2 dargestellten Quarztaktimpuls vom Ausgang a des Frequenzteilers 12 am Transistor 14 noch mit dem in F i g. 3 dargestellten Quarztaktimpuls vom Ausgang b des Frequenzteilers 12 am Transistor 14' zeitlich zusammen. Keines der durch die Transistoren 14 und 14' gebildeten UND-Gatter liefert daher ein Ausgangssignal und die beiden Spulen 30 und 30' des bistabilen Stellmagneten sind stromlos. Das die Frequenz des mechanischen Schwingsystems beeinflussende Glied befindet sich daher in der einem Extremwert der Frequenz entsprechenden Stellung. Dies sei die Stellung, die einem »zu schnellen« Gang der Uhr entspricht d. h. einer Frequenz, die über der Sollfrequenz liegt Wie in der DT-PS 25 13 583 beschrieben ist kann dies z. B. die Stellung sein, in der das die Frequenz beeinflussende Glied, beispielsweise eine Gabel, eine an dem Pendel angebrachte, mit dem Pendel schwingende Zusalzfedcr festhält.

Da die Frequenz des Schwingsystems in diesem Falle höher ist als die Frequenz der Quar/.taktimpulsc verschiebt sich das von dem Schwingsystem abgenom-) mcnc Istsignal zeitlich in bezug auf die Quarztaktinipulse und nähert sich zeitlich den vom Ausgang a des Frequenzteilers 12 kommenden Taktimpulsen. Hat sich das Istsignal zeitlich so weit nach links verschoben, wie in F i g. 5 dargestellt ist, daß es mit dem Taktimpuls vom

ίο Ausgang a zeitlich zusammenfällt, so entsteht am Transistor 14 ein Kollektorstromimpuls, der in der oben beschriebenen Weise zu einer Erregung der Spule 30 des Stellmagneten führt. Infolge der Rückkopplung ir dem Stellsignalkanal und der dadurch erreichten Wirkung als monostabiler Multivibrator wird gewährleistet, daß schon beim ersten solchen Koinzidenzimpuli die Spule 30 ausreichend erregt wird.

Die Erregung der Spule 30 hat zur Folge, daß dei Stellmagnet das die Frequenz des Schwingsystems

2n beeinflussende Glied in den anderen Zustand umschaltet, der dem anderen Extremwert der Schwingungsfre quenz entspricht. Dieser andere unter der Sollfrequen/ liegende Extremwert, der also einem »zu langsamen« Gang des Uhrwerks entspricht, kann in dem oben

2) genannten Beispiel dadurch erzeugt werden, daß die ar dem Pendel angebrachte Zusatzfeder von der durch der Stellmagneten betätigten Gabel freigegeben wird.

Der bistabile Stellmagnet und damit das die Frequenz des Schwingsystems beeinflussende Glied verharrer nun in diesem Zustand der »zu langsamen« Schwingung des mechanischen Schwingsystems. Dadurch verschieb! sich das von dem Schwingsystem abgenommene Istsignal zeitlich in entgegengesetzter Richtung, d. h. ir der Darstellung der F i g. 2 bis 6 nach rechts. Diesel Zustand besteht so lange fort, bis sich das Istsigna zeitlich soweit nach rechts verschoben hat, daß es mil dem Quarztaktimpuls vom Ausgang ödes Frequenzteilers 12 zeitlich zusammenfällt, wie in Fig. 6 dargestelli ist. Durch diese Koinzidenz wird der Transistor 14 durchgeschaltet und erzeugt einen Kollektorstromimpuls, der in der oben beschriebenen Weise zur Folge hat liaß die Stelimagnetspuie 30' erregt wird. Dadurch wire das die Frequenz beeinflussende Glied wieder in der ersten Zustand umgeschaltet, der den zu hoher Extremwert der Frequenz des mechanischen Schwingsystems zur Folge hat. Der beschriebene Zyklus dei Zwei-Punkt-Regelung beginnt somit erneut.

Die beschriebene Arbeitsweise macht deutlich, daC die Phasenlage des mechanischen Schwingsystems ir

^d0 jedem beliebigen Zeitpunkt um weniger als t£ von derr

Quarztakt abweicht. In dem beschriebenen Beispiel isi die Abweichung also in jedem Zeitpunkt kleiner als ±0,5 see. Wird die endliche Dauer der Quarztaktimpul se und der Jstsignalimpulse berücksichtigt so kann auch die maximale Abweichung von ±0,5 see. nicht erreich! werden.

Die erfindungsgemäße Synchronisation bewirkt daher in dem beschriebenen Beispiel, daß die mechanische Uhr, beispielsweise eine Pendeluhr, über beliebig lange Betriebszeiten auf ± 0,5 see, quarzgenau geht

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Synchronisation einer mit einem mechanischen Schwingsystem als Gangregler versehenen Uhr, bei dem ein aus der Bewegung des Schwingsystems abgeleitetes Jstsignal in Phase und Frequenz mit durch Frequenzteilung aus einer Quarzoszillation abgeleiteten Taktimpulsen verglichen wird und ein aus diesem Vergleich abgeleitetes Regelsignal elektromechanisch umgewandelt und zur mechanischen Beeinflussung der Frequenz des Schwingsystems verwendet wird, nach Patent 25 13 583, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz des Schwingsystems sprunghaft zwischen einem über der Solllfrequenz und einem unter der Sollfrequenz liegenden Extremwert umgeschaltet wird und daß die Verweildauer des Schwingsystems in jedem dieser Extremwerte durch je einen getrennten Phasenvergleich zwischen dem Istsigna! und den Taktimpulsera festgelegt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz der Taktimpulse gleich dem angestrebten zeitlichen Mittelwert der Frequenz des Schwingsystems oder gleich einem geradzahligen Vielfachen dieser Frequenz gewählt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß für die zwei getrennten Phasenvergleiche zwei alternierende von der Quarzoszillation abgeleitete Taktimpulsfolgen verwendet werden.

4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch zwei Phasenvergleichsstufen (14,14'), die einerseits einem Quarzoszillator (10) mit anschließendem Frequenzteiler (12) nachgeschaltet und andererseits an einen am Schwingsystem angeordneten mechanoelektrischen Wandler (16) angeschlossen sind und deren Ausgänge an die zwei Umschalteingänge eines auf die Frequenz des Schwingsystems einwirkenden bistabilen elektromechanischen Wandlers (30,30') angeschlossen sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenvergleichsstufen (14, 14') UND-Gatter sind, die mit alternierende Impulsfolgen liefernden Ausgängen (a, b) des Frequenzteilers (12) verbunden sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die UND-Gatter durch Transistoren (14,14') gebildet sind.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der die Istsignale liefernde mechanoelektrische Wandler aus einer Induktionsspule (16) und einem am Schwingsystem befestigten Permanentmagneten besteht.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der bistabile elektromechanische Wandler ein Stellmagnet mit zwei entgegengesetzt wirkenden Spulen (30,30') ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgänge der Phasenvergleichsstufen (14, 14') über getrennte Stellsignalkanäle (24, 26, 28 bzw. 24', 26', 28') jeweils mit einer der Stellmagnetspulen (30 bzw. 30') verbunden sind.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß in jedem Stellsignalkanal (24, 26, 28 bzw. 24', 26', 28') eine Rückkopplungskapazität (32 bzw. 32') vorgesehen ist, durch die ein monostabiler Multivibrator mit einer dem Stellmagneten (30, 30') angepaßten Einschaltzeit gebildet wird.