DE1928878A1 - Timing instrument - Google Patents
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Description
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HÖGER - STELLRECHT-GRIESSBACH-HAECKERHÖGER - LEGAL RIGHT-GRIESSBACH-HAECKER
3.6.I9693.6. I969
U.S.Ser.No. 736,618U.S.Ser.No. 736.618
The United States Time Corporation, Waterbury, Connecticut, U.S.A.The United States Time Corporation, Waterbury, Connecticut, U.S.A.
ZeitmeßinstrumentTimepiece
Die Erfindung betrifft ein Zeitmeßinstrument und insbesondere ein Instrument mit einer relativ hochfrequenten stabilen Zeitbasis. * .The invention relates to a timepiece and, more particularly, to an instrument having a relatively high frequency stable Time base. *.
Auf dem Gebiet der Zeitmessung wird seit langem versucht, die Genauigkeit von Uhren zu steigern. Es· wurde erkannt, daß die Genauigkeit einer Uhr gesteigert werden kann, wenn die Zeitbaeis mit einer relativ hohen Frequenz im Vergleich zu der Frequenz eines Unruherades arbeitet. So ist es beispielsweise schon lange bekanntr daß ein piezoelektrischer Kristall, der ein Teil eines Schwingkreises Jsb, als Zeitbasis für die Zeitmessung verwendbar ist. Der piezoelektrische Kristall schwingt vorzugsweise mit einer hohen Frequenz, beispielsweise mit einer Frequenz über 10 000 Hz. Ein anderes Beispiel einer hoch- . frequenten Zeitbasis ist ein mechanischer Schwinger wie z.B. eine Stimmgabel, die mit einer Frequenz von etwa 300 bis 1000 Hz arbeiten kann. .--..-■-In the field of time measurement, attempts have long been made to increase the accuracy of watches. It has been recognized that the accuracy of a watch can be increased if the time base operates at a relatively high frequency compared to the frequency of a balance wheel. So it is, for example, has long been known that r a piezoelectric crystal, an oscillating circuit Jsb, as a time base for the time measurement is usable part. The piezoelectric crystal preferably vibrates at a high frequency, for example at a frequency above 10,000 Hz. Another example of a high-frequency. Frequent time base is a mechanical oscillator such as a tuning fork, which can work with a frequency of around 300 to 1000 Hz. . - ..- ■ -
Es ist schwierig und kann sogar unmöglich sein, die Leistung des Schv/ingers bei hoher Frequenz direkt auszunutzen, um eineIt is difficult, and may even be impossible, to directly exploit the power of the vibrator at high frequency to produce a
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A 37 357 h - 2 -A 37 357 h - 2 -
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Uhr zu betätigen. Es wurde jedoch trotzdem vorgeschlagen, Stimmgabeln oder andere Schwinger, die im Bereich des unteren Endes des Frequenzspektrums schwingen, beispielsweise mit 300 Hz, mit ein oder mehr Klinken zu versehen, die direkt ein Index- . Rad betätigen. Die Kleinheit derartiger Klinken, ihre geringe Amplitude, der Dämpfungseffekt der Klinken auf den Schwinger, die kleine Größe und die feine Verzahnung des Index-Rades tragen sämtlich dazu bei, einen derartigen Mechanismus teuer und zerbrechlich zu machen.To operate the clock. However, it was suggested nonetheless Tuning forks or other vibrators that are in the area of the lower Oscillate at the end of the frequency spectrum, for example at 300 Hz, to be provided with one or more latches which directly form an index. Operate the wheel. The smallness of such handles, their small size Amplitude, the damping effect of the pawls on the transducer, the small size and fine toothing of the index wheel all contribute to making such a mechanism expensive and make it fragile.
Es wurde ferner vorgeschlagen, die hochfrequenten Schwingungen einer Zeitbasis zur Erzeugung elektrischer Impulse zu verwenden. Die Impulse werden durch elektronische Zähler gezählt. Als Zähler wurden binäre Impulsteiler vorgeschlagen, wie z.B. Flip-Flop-Schaltungen oder Ring-Dekaden-Zähler. Diese Vorrich-. tungen zum Zählen elektrischer Impulse brächten jedoch bestimmte Schwierigkeiten mit sich, insbesondere bei der Anwendung für Uhren. Jede Stufe des Zählers verwendet eine bestimmte Mindestleistung. Wenn beispielsweise der piezoelektrische Kristall mit einer Frequenz von 32,768 KHz schwingt und der Endausgang zur Betätigung der Zeitanzeigeeinrichtung mit 4 Hz arbeitet, sind dreizehn Stufen eines 2:1-Zählers, z.B. Flip-Flop-Zählers, notwendig. Die dreizehn Stufen wurden, falls sie die Form von Vakuumröhren haben, jedoch auch bei Verwendung von Transistoren, viel zu viel Raum einnehmen und zuviel Energie verbrauchen, so daß sie praktisch für eine Uhr nicht verwendbar sind.It has also been proposed to use the high-frequency oscillations of a time base to generate electrical pulses. The pulses are counted by electronic counters. Binary pulse dividers such as flip-flop circuits or ring decade counters have been proposed as counters. This device. However, lines for counting electrical impulses would bring certain difficulties, especially when used for Clocks. Each level of the meter uses a certain minimum power. For example, if the piezoelectric crystal oscillates at a frequency of 32.768 KHz and the final output for actuating the time display device operates at 4 Hz, thirteen stages of a 2: 1 counter, e.g. flip-flop counter, are necessary. The thirteen steps were in case they were in the form of Vacuum tubes, however, even when using transistors, take up too much space and consume too much energy, so that they are practically unusable for a clock.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Zeimeßinstrument zu schaffen, das die Nachteile der bekannten Instrumente beseitigt. Erfindungsgemäß wird dies bei dem eingangs genanntenThe invention is therefore based on the object of a time measuring instrument to create that the disadvantages of the known instruments eliminated. According to the invention, this is the case with the one mentioned at the beginning
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Zeitmeßinstrument erreicht durch eine Zeitbasis, die ein elektrisches Signal mit vorgegebener Frequenz erzeugt, eine Zählschaltung, die an die Zeifbasis angeschlossen ist, und eine Zeitanzeigeeinrichtung, die mit der Zählschaltung verbunden ist, die in Form einer "bistabilen Schaltung ausgebildet ist, deren aktive Elemente Metalloxid-isolierte Gate-Feldeffekttransistoren sind.Timepiece achieved through a time base that is an electric Signal generated with a predetermined frequency, a counting circuit, which is connected to the clock base, and a Time display device which is connected to the counting circuit, which is designed in the form of a "bistable circuit, whose active elements are metal-oxide-insulated gate field-effect transistors.
Die Zeitanzeigeeinrichtung kann zweckmäßigerweise ein Motor sein, durch welchen drehbare Zeiger betätigt werden, oder sie kann in Form einer Lichtanzeige ausgebildet sein. Die Basis ist zweckmäßigerweise ein Kristalloszillator, ein Vibrator oder eine andere genaue Hochfrequenzquelle. Vorzugsweise ist jede der Zählschaltungen eine Flip-Flop-Schaltung. Die MOSFEI-Iransistoren bilden einen Flip-Flop-Kreis, der einen extrem niedrigen Energieverbrauch hat und der in einem seiner stabilen Zustände Informationen speichern kann. Die Frequenz des Schwingers wird in eine Anzahl binärer Impulsteiler unterteilt, um ein niederfrequentes Signal zu erzeugen. Das niederfrequente Signal steuert die Anzeigeeinrichtung.The time display device can expediently be a motor by which rotatable hands are actuated, or it can be designed in the form of a light display. The base is expediently a crystal oscillator, a vibrator or some other accurate radio frequency source. Preferably, each of the counting circuits is a flip-flop circuit. the MOSFEI transistors form a flip-flop circuit, the one has extremely low energy consumption and can store information in one of its stable states. The frequency of the oscillator is divided into a number of binary pulse dividers to produce a low frequency signal. The low frequency Signal controls the display device.
Eine beispielsweise Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung erläutert, in der Fig. 1 schematisch einen Kristallschwinger darstellt. Fig. 2 zeigt schematisch eine Flip-Flop-Schaltung. Fig. 3 ist ein Blockdiagramm, in welchem die Verwendung der Erfindung zusammen mit einem Motor für die Zeitanzeige dargestellt ist.An example embodiment of the invention is provided below explained with reference to the drawing, in which FIG. 1 schematically shows a crystal oscillator. Fig. 2 shows schematically a flip-flop circuit. Figure 3 is a block diagram illustrating the use of the Invention is shown together with a motor for the time display.
Fig. 4 ist ein Blockdiagramm, in welchem die Verwendung der Erfindung zusammen mit einer Lampe als Zeitanzeige dargestellt ist.Figure 4 is a block diagram illustrating the use of the invention is shown together with a lamp as a time display.
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Ein Metalloxid-Halbleiter-Peldeffekttransistor (MOSPET), manchmal auch isolierter Gate-Peldeffekttransistor (IGPET) genannt, hat einige Charakteristiken, die einer Pentode etwas ähnlich sind. Die Hauptvorteile des MOSPET "bestehen im Vergleich zu einem gewöhnlichen Transistor im wesentlichen Jedoch darin, daß er eine hohe Eingangsimpedanz; zuläßt und thermisch stabil gemacht werden kann. Bei der vorliegenden Erfindung besteht der Hauptvorteil des MOSPET in seinem niedrigen Leck-Strom, d.h. der Gate-Leck-Strom kann in der Größenordnung von maximal 1000 p.ja. liegen. Der drain-to-aource-Leck-Strom liegt etwa in derselben Größenordnung.A metal oxide semiconductor pelt effect transistor (MOSPET), sometimes also isolated gate pelt effect transistor (IGPET) called, has some characteristics that are somewhat similar to a pentode. The main advantages of the MOSPET "are in comparison to an ordinary transistor, however, essentially in that it has a high input impedance; and thermally stable can be made. In the present invention, the main advantage of the MOSPET is its low leakage current, i.e. the gate leakage current can be in the order of magnitude of a maximum of 1000 p.ja. lie. The drain-to-aource leakage current is approximately of the same order of magnitude.
Der MOSPET kann ein p-Kanal oder ein η-Kanal sein, ferner ein Anreicherungstyp oder ein Verarmungstyp. Eine auf die metallische Steuerelektrode, das Gate, aufgebrachte Ladung induziert eine gleicheund entgegengesetzte Ladung in einer Schicht des Halbleitermaterials, dem Kanal, unter dem Gate. Beim n-Kanal-Typ muß an das Gate oder Gatter eine positive Vorspannung angelegt werden, um eine Leitfähigkeit zu erreichen, während beim p-Kanal eine negative Vorspannung angelegt wird. Die Ladung des Kanals steuert die elektrische Leitung zwischen einem Source-Anschluß und einem Drain-Anschluß. Die bei der Erfindung verwendeten MOSPET sind- normalerweise ausgeschaltet, d.h. sie sind vom Anreicherungstyp. Sie "sind so lange nicht leitend bzw. nicht durchlässig, bis eine genügend hohe Spannung an die Gate-Elektrode angelegt wird.The MOSPET can be a p-channel or an η-channel, furthermore a Enrichment type or a depletion type. A charge applied to the metallic control electrode, the gate, is induced an equal and opposite charge in a layer of semiconductor material, the channel, under the gate. With the n-channel type a positive bias must be applied to the gate or gate in order to achieve conductivity while a negative bias is applied to the p-channel. The charge on the channel controls the electrical conduction between one Source connection and a drain connection. The one in the invention MOSPETs used are - normally switched off, i.e. they are of the enhancement type. They "are not in charge for so long or not permeable until a sufficiently high voltage is applied to the gate electrode.
Die Zählschaltung besteht aus einer Anzahl miteinander verbundener Plip-Plop-Schaltungen, die vorzugsweise auf einem einzigen Siliziumplättchen integriert sind. Jede Plip-Plop-SchaltungThe counting circuit consists of a number of interconnected Plip-plop circuits, preferably on a single Silicon wafers are integrated. Every plip-plop circuit
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kann jedoch auch separat integriert sein. Der Typ TA 5362 der Firma RCA ist ein Beispiel eines separaten komplentärintegrierten MOSFET Flip-Flop-Kreises.however, it can also be integrated separately. The type TA 5362 from RCA is an example of a separate, complementary integrated MOSFET flip-flop circuit.
Wie Fig. 1 zeigt, umfaßt die Zeitbasis-Schaltung aktive komplementäre Elemente, die aus einem dritten MOSFET Q3 und einem vierten MOSFET Q4 des η-Kanal-Anreicherungstyps bestehen. Sämtliche vier MOSFET's sind miteinander verbunden und an eine gemeinsame Energiequelle angeschlossen. Die Source-Anschlüsse "s" von Q3 und Q4 sind mit dem negativen Pol einer Batterie verbunden. Die Drain-Anschlüsse "s" von Q1 und Q2 sind mit dem positiven Pol der Batterie 10 verbunden. Der Schwingkreis nach Fig. 1 verwendet komplementäre MOSFETs, so daß der Schwingkreis mit den binären Impulsteilern kompatibel ist und als eine Einheit mit diesen integriert werden kann.As shown in Fig. 1, the time base circuit comprises active complementary ones Elements consisting of a third MOSFET Q3 and a fourth MOSFET Q4 of the η-channel enhancement type. All four MOSFETs are interconnected and connected to a common energy source. The source connectors "s" of Q3 and Q4 are to the negative pole of a battery tied together. The drain connections "s" of Q1 and Q2 are with the positive pole of the battery 10 connected. The resonant circuit of FIG. 1 uses complementary MOSFETs, so that the resonant circuit is compatible with the binary pulse dividers and can be integrated as one unit with them.
Ein piezoelektrischer Kristallschwinger 11 ist zwischen die Gatter "g" der MOSFETs Q1 und Q3 und die Drain-Anschlüsse "d" der MOSFETs Q2 und Q4 geschaltet. Vorzugsweise hat der .Quarzkristall eine Eigenfrequenz von 32,768 KHz.A piezoelectric crystal oscillator 11 is between the Gate "g" of the MOSFETs Q1 and Q3 and the drain connections "d" of the MOSFETs Q2 and Q4 are switched. The quartz crystal preferably has a natural frequency of 32.768 KHz.
Als Zeitbasis kann auch ein elektromechanischer Vibrator verwendet werden. Der Vibrator kann mit einem Magneten versehen sein, der mit einer Spule zusammenwirkt. Als Aufnahme- und .Abgabespulen können getrennte Spulen oder es kann auch eine einzige Spule für beide Funktionen benutzt werden. In der Aufnahmespule wird ein Signal induziert, das eine vorgegebene Frequenz hat, die von der Eigenfrequenz des Vibrators abhängt. Das in der Aufnahmespule induzierte Signal wird als Zeitbasis-Ausgangssignal verwendet. Ein geeigneter Vibrator ist in der USA-Patentschrift 3 201 932 und geeignete Schwingkreise sind in der tiSA-Patentschrift 3 046 460 beschrieben.An electromechanical vibrator can also be used as the time base. The vibrator can be provided with a magnet be that interacts with a coil. The pick-up and delivery coils can be separate coils or it can also be one single coil can be used for both functions. A signal is induced in the take-up reel that has a predetermined Has frequency that depends on the natural frequency of the vibrator. The signal induced in the take-up reel is called the time base output signal used. A suitable vibrator is disclosed in U.S. Patent 3,201,932 and suitable resonant circuits are in tiSA patent specification 3,046,460.
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Pig. 2 ist ein schematisches Diagramm, das einen integrierten Plip-Plop-Kreis zeigt, der komplementäre MOSi1ET's "benutzt. Die Schaltung nach Pig. 2 umfaßt einen Anschluß 40 für den Dateneingang und einen Anschluß 41 für den Zeiteingang (clock input), der nicht benutzt wird. Der Ausgangsanschluß 42 ist mit dem Dateneingangs-Anschluß des nächsten Plip-Plop-Kreises in Reihe verbunden. Der Typ der MOSPET's ist durch "P" für einen p-Kanal und durch "N" für einen n-Kanal angegeben. Die ■ Schaltung enthält zwölf η-Kanal-MOSPET's und zwölf p-Kanal-MOSPET's. Pig. Fig. 2 is a schematic diagram showing an integrated plip-plop circuit using complementary MOSi 1 ET's ". The circuit of Pig. 2 comprises a terminal 40 for the data input and a terminal 41 for the clock input, the The output terminal 42 is connected in series with the data input terminal of the next plip-plop circuit The type of MOSPETs is indicated by "P" for a p-channel and by "N" for an n-channel. The ■ circuit contains twelve η-channel MOSPETs and twelve p-channel MOSPETs.
Die Plip-Plop-Schaltung hat zwei stabile Lagen, und sie verbleibt in einer dieser Lagen, bis sie einen entsprechenden Steuerbefehl erhält, diese Lage zu ändern. Die Steuerbefehle sind einfach Impulse, die auf den Zeiteingangs-Anschluß gegeben werden.The plip-plop circuit has two stable positions and it remains in one of these positions until it receives a corresponding control command to change this position. The control commands are simply pulses applied to the timing input terminal.
Pig. 3 zeigt ein System in einem Zeitmeßinstrument, im welchem drehbare Zeiger die Zeit anzeigen. Der Oszillator 20, der die Zeitbasis bildet (Pig. 3)>besteht aus der gesamten Schaltung nach Pig. 1. Der Oszillator 20 liegt in Reihe mit dreizehn Stufen von Zählschaltungen 21 - 33 (Frequenzteiler), von denen der Einfachheit halber nur zwei dargestellt sind. Jede Zähl- * stufe benutzt als aktive Elemente komplementäre MOSPET1s. Der erste Zählkreis teilt die Frequenz des Oszillators 20 auf die Hälfte und gibt einen Ausgang von 1,6,384 KHz ab. In gleicher 'Weise teilt jeder der Zählkreise seinerseits seinen Eingang auf die Hälfte. Die letzte Zählstufe 33 hat einen Eingang von 8 Hz und einen Ausgang von 4 Hz. Der Ausgang von 4 Hz wird auf einen Verstärker oder Puffer 35 gegeben. Der Ausgang vonPig. Fig. 3 shows a system in a timepiece in which rotatable hands indicate the time. The oscillator 20, which forms the time base (Pig. 3)> consists of the entire circuit according to Pig. 1. The oscillator 20 is in series with thirteen stages of counting circuits 21-33 (frequency dividers), of which only two are shown for the sake of simplicity. Each count * stage used as active elements complementary MOSPET 1 s. The first counter circuit divides the frequency of the oscillator 20 by half and is an exit of 1,6,384 kHz. In the same way, each of the counting circuits divides its input in half. The last counter stage 33 has an input of 8 Hz and an output of 4 Hz. The output of 4 Hz is given to an amplifier or buffer 35. The exit of
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4 Hz kann direkt zum Antrieb eines elektromechanischen Umformers "benutzt werden, z.B. eines Unruhrades oder eines Motors, der über ein übliches Getriebe mit den die Zeit anzeigenden Zeigern verbunden ist, um diese anzutreiben.4 Hz can be used to drive an electromechanical converter directly "can be used, e.g. a balance wheel or a motor, which is connected to the time indicating via a common gearbox Pointers is connected to drive them.
Die Schaltung nach 3?ig. 4 enthält als Zeitbasis einen Quarz-Kristall-Schwinger 50, der, wie oben beschrieben, mit einer Frequenz von 32,768 KHz schwingt. Flip-Flop-Schaltungen, von denen eine in Fig. 2 dargestellt ist, liegen in Reihe mit fünfzehn Stufen 51 - 65, durch welche eine Ausgangsfrequenz von 1 Hz erzeugt wird. Der 1 Hz-Impuls wird auf einen Zähler 67, der 60 Sekunden zählt, übertragen. Der Zähler 67 ist mit einer Lichtanzeigeeinrichtung verbunden, die z.B. aus sechzig Elektro-Lumineszenten-Markierungen besteht, die längs des Randes eines Uhr-Zifferblattes angeordnet sind und die der Reihe nach beleuchtet werden. Die Reihenfolge wird im Zähler 67 , vorzugsweise durch Verschiebe-Registerschaltungen, erreicht, in welchen jede durch Impulse gespeicherte Stellung mit . einer Anzeigeleitung verbunden ist. Die Endstellung des Speichers, die die 60. Sekunde darstellt, ist an den Minuten-Zähler 69 angeschlossen. Der Minutenzähler 69 steuert, ebenfalls mit Hilfe von ähnlichen Verschiebe-Registerschaltungen, eine Lichtanzeigeinrichtung 68. Der Ausgang des Minutenzählers 69 ist mit einem Stundenzähler 70 verbunden, dessen Verschiebe-Register seinen Teil der Lichtanzeigeeinrichtung 68 steuert. Die.mit Lampen versehene Lichtanzeigeeinrichtung 68 gibt die -wirklicheZeit über eine Periode von 12 Stunden an.The circuit after 3? 4 contains a quartz-crystal oscillator 50 as a time base, which, as described above, with oscillates at a frequency of 32.768 KHz. Flip-flop circuits, one of which is shown in Figure 2 are in series with fifteen stages 51-65 through which an output frequency of 1 Hz is generated. The 1 Hz pulse is transmitted to a counter 67 which counts 60 seconds. The counter 67 is connected to a light display device consisting, for example, of sixty electro-luminescent markings which are arranged along the edge of a clock face and which are sequentially illuminated. The order is in Counter 67, preferably by shift register circuits, achieved in which each position is stored by pulses with . a display line is connected. The end position of the memory, which represents the 60th second, is on the minute counter 69 connected. The minute counter 69 controls, also with the help of similar shift register circuits, a light display device 68. The output of the minute counter 69 is connected to an hour counter 70, whose shift register its part of the light indicator 68 controls. The light display device 68 provided with lamps gives the -real time over a period of 12 hours.
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Der Hauptvorteil der erfindungsgemäßen Schaltungen ist deren geringer Energieverbrauch. Die binären.Impulsteiler, die als aktive Elemente komplementäre MOSFET1s verwenden, verbrauchen effektiv keine Ruheleistung. Die zum Schalten erforderliche Energie ist klein, weshalb der durchschnittliche Stromverbrauch relativ niedriv ist. Die Erfindung kann für eine Uhr verwendet werden, die eine Miniatur-Energiezelle besitzt.The main advantage of the circuits according to the invention is their low energy consumption. The binary pulse dividers, which use complementary MOSFET 1 s as active elements, effectively do not consume any quiescent power. The energy required for switching is small, which is why the average power consumption is relatively low. The invention can be applied to a watch having a miniature power cell.
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| DE2206102A1 (en) * | 1971-02-18 | 1972-08-31 | Suwa Seikosha Kk | Wrist watch or the like with an oscillating crystal as a time standard |
| DE2224335A1 (en) * | 1971-05-20 | 1972-11-30 | Rca Corp | Oscillator circuit with grid-insulated field effect transistor |
| JPS5135875B1 (en) * | 1973-05-15 | 1976-10-05 | ||
| DE4210258A1 (en) * | 1992-03-28 | 1993-09-30 | Man Nutzfahrzeuge Ag | Transmission for vehicle with two engines - has separate clutches to couple to summation gearing and further clutch to couple to main gearbox |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| GB1272997A (en) | 1972-05-03 |
| FR2010828A1 (en) | 1970-02-20 |
| FR2010828B1 (en) | 1974-02-22 |
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