DE2508915A1

DE2508915A1 - Einrichtung zur synchronisierung einer uhr

Info

Publication number: DE2508915A1
Application number: DE19752508915
Authority: DE
Inventors: Alain Bazin
Original assignee: Compteurs Schlumberger SA
Current assignee: Compteurs Schlumberger SA
Priority date: 1974-03-01
Filing date: 1975-02-28
Publication date: 1975-09-04
Also published as: SE400001B; CH257075A4; IT1033187B; FR2262824A1; SE7502221L; GB1503936A; FR2262824B1; CH599613B5

Description

COMPTEURS SCHLUMBERGER

10, Place des Etats Unis

92120 MOUTROUGE /Frankreich

Unser Zeichen; O 3034

Einrichtung zur Synchronisierung einer Uhr

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Synchronisierung einer Uhr, insbesondere einer quarzgesteuerten Uhr, mit Hilfe von Synchronsignalen, die von einer hochpräzisen Mutteruhr abgegeben werden.

Die Uhren, die einen örtlichen Oszillator aufweisen, wie beispielsweise einen Quarzoszillator, dem ein Frequenzteiler zugeordnet ist, müssen zum Korrigieren der eventuellen Abweichungen ihres Oszillators synchronisiert werden. Zu diesem Zweck sind sie über eine Synchronisierungsverbindung, bei welcher es sich um eine Leitungs- oder Funkverbindung handeln

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kann, mit einer Präzisionsmutteruhr verbunden, die Impulse genau mit der Frequenz von 1 Hz abgibt, die dazu verwendet werden, die Signale jeder Uhr mit denen der Mutteruhr wieder in Phase zu bringen. Im Fall einer Störung auf der Synchronisierungsverbindung sollen die Uhren unabhängig arbeiten können, indem sie trotz der Abwesenheit der Synchronsignale durch ihren eigenen Oszillator gesteuert bleiben.

Ein Verfahren zur Durchführung dieser Synchronisation besteht darin, das Vorgehen oder Nachgehen einer Uhr festzustellen und direkt die Schwingfrequenz des Quarzes zu steuern, beispielsweise mit Hilfe von Dioden mit veränderlicher Kapazität oder mit Hilfe von Kondensatoren, die an den Oszillator angeschlossen sind. Wenn man jedoch in dem Fall eines Quarzes versucht, eine sehr stabile Frequenz zu erzielen, ist es wenig empfehlenswert, die Eigenschwingfrequenz desselben auf diese Weise schlüpfen zu lassen, da die Schlupfschaltung unausweichlich Instabilitätsquellen schafft.

Ein weiteres Verfahren besteht darin, dass eine Korrekturschaltung vorgesehen wird, die erlaubt, vorübergehend auf den Frequenzteiler einzuwirken, um die Frequenz der Signale zu erhöhen, wenn die Uhr nachgeht, oder sie zu unterdrücken, wenn die Uhr vorgeht.

Die Erfindung hat eine Synchronisierungseinrichtung zum Gegenstand, d ie auf diesem letztgenannten Verfahren beruht, gemäss welchem man auf den Teilerfaktor eines Frequenzteilers einwirkt, der dem Steueroszillator der Uhr zugeordnet ist.

Allerdings ergibt sich in dem Fall, in welchem die Synchronisierungsleitung stark gestört ist, die Schwierigkeit, dass die Korrekturschaltung ungewollte Verstellungen der Uhr mit

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grosser Amplitude hervorruft, was am Ende von einigen fehlerhaften Synchronsignalen das Risiko in sich birgt, dass eine Verstellung der Uhr von mehr als 0,5 s und ein Einstellen derselben auf die vorangehende oder die folgende Sekunde bewirkt wird.

Ziel der Erfindung ist es, diesen Nachteil mit Hilfe einer einfach aufgebauten Schaltung zu beseitigen, die das Korrigieren der Uhr nur während konstanten, aber in bezug auf die Periode äusserst kurzen Zeitintervallen erlaubt, wobei die konstante Zeitdauer der Korrekturintervalie am Abgleich eine leichte Modulation der Peroide der Signale der Uhr mit der Periode der Synchronsignale zur Folge hat.

Die Einrichtung nach der Erfindung enthält einen Impulsgenerator, der mit einer Frequenzteilerschaltung verbunden ist, eine Korrekturschaltung zum Verändern des Teilerfaktors der Frequenzteilerschaltung, eine Phasenvergleichsschaltung, an die die Signale der Uhr und die Synchronsignale angelegt werden, um die Korrekturschaltung zu steuern, und eine Zeitkonstanzschaltung, die durch die Signale der Uhr gjetriggert wird und Korrekturzeit interva He festlegt, und ist gemass der Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass die Vergleichsschaltung aus einer bistabilen Kippschaltung besteht, die einen Informationseingang und einen Triggereingang hat, an die die Synchronsignale bzw. die Uhrsignale angelegt werden, und dass die Korrekturschaltung einen Umschalter mit zwei Stellungen aufweist, der durch die Zeitkonstanzschaltung gesteuert wird, wobei in der ersten Stellung ein erster Zwischenausgang der Frequenzteilerschaltung direkt mit der folgenden Stufe der Frequenzteilerschaltung verbunden, ist und wobei in der zweiten Stellung ein zweiter Zwischenausgang der Frequenzteilerschaltung mit einem Teilerfaktor, der unter dem des

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ersten Ausgangs liegt, mit der folgenden Stufe über einen ersten Schalter verbunden ist, der durch die Vergleichsschaltung geschlossen wird, wenn die Uhr nachgeht, und geöffnet wird, wenn die Uhr vorgeht.

Diese Einrichtung hat den Vorteil, dass die Uhr entweder unter der Steuerung der Synchronsignale folgegeregelt arbeiten kann, wenn diese sie normal erreichen, oder bei Abwesenheit von Synchronsignalen unabhängig arbeiten kann, wobei der Übergang von einer Betriebsart zur anderen ohne irgendeine Unterbrechung und ohne manuellen Eingriff automatisch erfolgt.

Die Korrekturschaltung kann in der Praxis vorteilhafterweise mit Hilfe von Digitalschaltungen vollkommen statisch aufgebaut werden.

Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 ein Schaltbild zur Erläuterung der

Betriebsweise einer Einrichtung nach der Erfindung, und

die Fig. 2 und 3 zwei praktische Ausführungsformen von

Einrichtungen nach der Erfindung.

Fig. 1 zeigt einen, beispielsweise quarzgesteuerten, Oszillator 1, der mit einem Frequenzteiler 2 verbunden ist, welcher aus einem Impulszähler, beispielsweise einem Binärimpulszähler, besteht, der zwei Zähler aufweist, die in zwei Gruppen von Stufen 3 und 4 unterteilt sind, deren Verbindung weiter unten genauer erläutert wird. An dem Ausgang des Zählers 4 erscheinen die Signale H der Uhr mit der Frequenz 1 Hz. Diese

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Signale betätigen in bekannter Weise die Zeiger oder jede andere Anzeigevorrichtung dler Uhr.

Eine bistabile Kippschaltung 5, vorzugsweise des Typs D, welche als Phasenvergleicher arbeitet, hat einen Informationseingang 6, an den die von dem Ausgang des Frequenzteilers 2 kommenden Signale H angelegt werden, und einen Auslöseeingang 7, an den-die von der Verbindung mit der Mutteruhr kommenden Synchronsignale Sy angelegt werden. Die Signale H werden ausserdem an eine Zeitkonstanzschaltung 8 angelegt, wie beispielsweise eine monostabile Schaltung oder eine Differenzierschaltung, die durch die Hinterflanke der Signale H getriggert wird und digitale Impulse T mit konstanter Dauer liefert, welche die Zeitintervalle festlegen, während denen die Korrektur erlaubt ist. Diese Dauer wird in der Grössenordnung eines Tausendstels der Periode der Signale H gewählt.

Die Synchronsignale Sy werden ausserdem an eine Schaltung 9 angelegt, die das Vorhandensein dieser Signale auf der Leitung anzeigt, beispielsweise ein Spitzendetektor, eine wieder triggerbare monostabile Schaltung oder jede andere gleichwertige Schaltung, die Signale S mit dem Digitalwert 1 liefert, wenn diese Signale Sy vorhanden sind,und mit dem Digitalwert O, wenn sie nicht mehr empfangen werden.

Die Schaltungen 5_# 8 und 9 steuern, beispielsweise mit Hilfe von nicht dargestellten Relais, verschiedene Kontakte, die in einer Korrekturschaltung 10 vorgesehen sind, in folgender Weise: die Schaltung 8 steuert einen Umschalter 81 mit zwei Stellungen, wobei in einer ersten (oberen) Stellung der Ausgang der letzten Stufe des Zählers 3 direkt mit dem Eingang der zweiten Gruppe von Stufen 4 des Frequenzteilers 2 verbunden ist, um ihm Signale N mit der Frequenz F zu liefern, und wobei in einer zweiten (unteren) Stellung der Ausgang der vorletzten Stufe des Zählers 3 direkt mit

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— ο —

dem Eingang der Gruppe von Stufen 4 über einen ersten Schalter 51 verbunden ist, um ihm Signale D mit der Frequenz 2'F zu liefern·. Dieser Schalter 51 wird durch die Schaltung 5 derart gesteuert, dass er geschlossen ist, wenn die Signale H in bezug auf die Synchronsignale Sy nacheilen, und dass er geöffnet ist, wenn diese Signale H in bezug auf die Signale Sy voreilen.

Die Schaltung 10 enthält ausserdem zwei Schalter 91 und 92_# die durch die Schaltung 9 in umgekehrtem Sinn gesteuert werden. Der Schalter 91 ist zwischen den Schalter 51 und den Umschalter 81 in der unteren Stellung geschaltet. Der Schalter 92 ist zwischen dem Ausgang der letzten Stufe des Zählers 3 und dem Eingang der Stufen 4 zu dem Schalter 81 parallel geschaltet.

Diese Einrichtung arbeitet folgendermassen: ausserhalb der Korrekturintervalle T wird die Schaltung nicht getriggert und der Umschalter 81 bleibt in der oberen Stellung, in der die Signale N mit der Frequenz F normal zu dem Eingang des Zählers 4 übertragen werden.

Nimmt man an, dass die Synchronsignale vorhanden sind (Schalter 91 geschlossen, Schalter 92 geöffnet), bringt die Schaltung 8 während der KorrekturIntervalle T den Umschalter 81 in die untere Stellung. Falls dann die Uhr vorgeht, wird der Schalter 51 durch die Vergleichsschaltung 5 geöffnet und die Signale D können nicht zu dem Zähler 4 gelangen. Falls dagegen die Uhr nachgeht, wird der Schalter 51 durch die Schaltung 5 geschlossen und die Signale D mit der Frequenz 2"F werden über den Schalter 91 der Schaltung 4 zugeführt.

Wenn jetzt die Synchronsignale verschwinden, arbeitet die Uhr selbsttätig: der Schalter 92 wird in diesem Fall

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.geschlossen und überträgt die Signale N mit der Frequenz P zu dem Zähler 4_# und zwar unabhängig von der Stellung des Umschalters 81.

Nachdem das Funktionsprinzip beschrieben worden ist, wird jetzt eine bevorzugte praktische Ausführungsform einer Einrichtung nach der Erfindung beschrieben. Die in Fig. 2 dargestellte Schaltung 10 wird vorzugsweise als komplementäre MOS-Logik mit geringem Stromverbrauch ausgebildet, so dass im Fall einer Unterbrechung der Netzversorgung die Uhr an ihrer Batterie weiterarbeiten kann, die während einer ausreichenden Zeit als Gangreserve dient.

Die Schaltungen 5, 8 und 9 sind mit der Korrekturschaltung

10 verbunden, die in folgender Weise aus vier NAND-Schaltungen

11 bis 14 aufgebaut ist:

Die erste NAND-SchaItung 11 hat einen Eingang, der mit dem Ausgang der letzten Stufe des Frequenzteilers 3 verbunden ist. Ihr Ausgang ist mit einem Eingang der zweiten NAND-Schaltung 12 verbunden.

Die dritte NAND-Schaltung 13 hat vier Eingänge, die mit dem Ausgang der vorletzten Stufe des Zählers 3 bzw. mit dem Ausgang der Schaltung 8 bzw. mit dem Ausgang Q der Kippschaltung 5 bzw. mit dem Ausgang der Schaltung 9 verbunden sind. Der Ausgang ist mit einem zweiten Eingang der NAND-. Schaltung 12 verbunden.

Schliesslich hat die vierte NAND-Schaltung 14 zwei Eingänge, die mit den Ausgängen der Schaltungen 8 bzw. 9 verbunden sind, und ihr Ausgang ist mit einem zweiten Eingang der Schaltung 11 verbunden.

Der Ausgang der Schaltung 12 ist mit dem Eingang des Zählers

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verbunden.

Diese Einrichtung arbeitet folgendermassen: ausserhalb der KorrekturintervaHe arbeitet die Uhr mit den Signalen N der Frequenz F, die zu dem Eingang des Zählers 4

normal übertragen werden. Die Signale T=O setzen nämlich die Ausgänge der NAND-Schaltungen 13 und 14 auf den Digitalwert 1. der Ausgang der Schaltung 11 liefert Signale N und der Ausgang der Schaltung 12 liefert Signale N mit der Frequenz F.

Die Kippschaltung 5 stellt durch Phasenvergleich zwischen der Vorderflanke des Signals H und dem Erscheinen des Signals Sy fest, ob die Uhr vorgeht oder nachgeht. Je nachdem, ob die Uhr vorgeht oder nachgeht, wird nämlich das Signal Sy die Kippschaltung in den Digitalzustand 1 oder O triggern, wobei dann das an dem komplementären Ausgang Q abgenommene Ausgangssignal den Wert 0 (Vorgehen) oder 1 (Nachgehen) annimmt. Es wird jetzt angenommen, dass die Synchronsignale Sy normal ankommen und dass infolgedessen S=I ist. Während der Korrektur interva He, für die gilt T = I, ergibt sich:

a) wenn die Uhr vorgeht, ist der Ausgang Q auf O, wodurch der Ausgang der NAND-Schaltung 13 auf den Digitalwert 1 gesetzt wird. Da im übrigen der andere Eingang der NAND-Schaltung 12, der mit der NAND-Schaltung 11 verbunden ist, ebenfalls auf dem Digitalwert 1 ist (T = 1, S = 1), kann kein Signal N oder D die Schaltung 12 durchqueren. Die Wirkung der Korrektur hat somit darin bestanden, die Impulse N der Frequenz F zu unterdrücken, die ohne Korrektur normalerweise an dem Zähler 4 ankommen würden. Diese Unterdrückung führt zu einer Verringerung des Vorgehens der Uhr.

b) Wenn die Uhr nachgeht, gilt Q = Ϊ. An dem Ausgang der Schaltung 13 werden Signale D abgegeben, die durch die Schaltung 12 in Signale D umgewandelt werden. Die Korrektur bewirkt

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also, dass an den Zähler 4 Signale D mit der Frequenz 2F abgegeben werden, d.h. Signale, die die doppelte Frequenz F derjenigen Signale haben, die ohne Korrektur normalerweise an den Zähler abgegeben würden. Diese Signale, deren Frequenz höher als normal ist, dienen zum Kompensieren des Nachgehens der Uhr.

Man erhält auf diese Weise um den Abgleich herum Beschleunigungsund Verzögerungsbefehle und daraus die Synchronisierung der Uhr durch die Signale Sy bei einer geringen Modulation der Periode der Signale H. Diese Modulation ist mit der Dauer des Korrekturintervalls τ und mit den Werten der Frequenzen F und 2F verknüpft, die an den Ausgängen des Zählers 3 gewählt werden (beispielsweise die Frequenzen 8192 Hz und 4096 Hz).

Es lässt sich leicht nachweisen, dass bei Abwesenheit von Synchronsignalen Sy die Uhr ihre Betriebsselbständigkeit wiedererlangt. Wenn nämlich S=O ist, sind die Ausgänge der Schaltungen 13 und 14 auf dem Digitalwert 1, der Ausgang der Schaltung 13 liefert die Signale N, so dass von dem Ausgang der Schaltung 12 die Signale N mit der normalen Frequenz F an den Zähler 4 abgegeben werden.

Fig. 3 zeigt e ine andere Ausführungsform der Korrekturschaltung, in welcher die NAND-Schaltungen 11 bis 13 durch eine erste UND-Schaltung 15 bzw. eine ODER-Schaltung 16 bzw. eine zweite UND-Schaltung 17 ersetzt sind, welche in analoger Weise geschaltet sind.

Ausserhalb der Korrekturintervalle (T =0), ist die UND-Schaltung 15 leitend, während die UND-Schaltung 17 gesperrt ist: die Uhr arbeitet mit den Signalen N der Frequenz F, die durch die Schaltung 16 normal zu dem Eingang des Zählers 4 übertragen werden. Während der Korrekturintervalle (T = 1) und unter der Annahme, dass die Synchronsignale vorhanden

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sind (S =1)/ sperrt die Schaltung 14 die Schaltung
15. Infolgedessen:

a) wenn die Uhr vorgeht, sperrt der Ausgang Q=O der
Kippschaltung 5 die Schaltung 17 und es wird kein Signal zu dem Eingang des Zählers 4 übertragen.

b) Wenn die Uhr nachgeht, hat der Ausgang Q der Kippschaltung 5 ebenso wie die beiden anderen Signale T und S den Digitalwert 1. Die Schaltung 17 ist dann leitend und überträgt

die Signale D mit der Frequenz 2F über die Schaltung 16
zu dem Zähler 4.

Schliesslich ist im Fall des VerSchwindens der Synchronsignale (S = O) die Schaltung 17 gesperrt, aber die Schaltung 14 entsperrt die Schaltung 15, was der Uhr erlaubt, ihre Betriebsselbständigkeit wiederzuerlangen, wie oben erläutert.

Unter Umständen können die Schaltungen 9 und 14 weggelassen werden, wenn die Synchronisierungsverbindung ausreichend betriebssicher ist, wobei dann der Ausgang der Schaltung direkt mit einem Eingang der Schaltung 11 (oder 15) verbunden wird.

Selbstverständlich beschränkt sich die Erfindung nicht
allein auf guarsgesteuerte Uhren, sondern sie.ist bei
allen Uhren anwendbar, die durch ein Frequenznormal (Quarz, Stimmgabel, usw.) gesteuert und mit einer Teilerschaltung versehen sind.

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Claims

Patentansprüche :

fly Einrichtung zur Synchronisierung einer Uhr mit Hilfe von äusseren Synchronsignalen, mit einem Impulsgenerator, der mit einer Frequenzteilerschaltung verbunden ist, mit einer Korrekturschaltung zum Verändern des Teilerfaktors der Freguenzteilerschaltung, mit einer Phasenvergleichsschaltung, an die die Signale der Uhr und die Synchronsignale angelegt werden, um die Korrekturschaltung zu steuern, und mit einer Zeitkonstanzschaltung, die durch die Signale der Uhr getriggert wird und Korrekturzeitintervalle festlegt, dadurch gekennzeichnet, dass die Vergleichsschaltung aus einer bistabilen Kippschaltung besteht, die einen Informationseingang und einen Triggereingang hat, an die die Synchronsignale bzw. die Signale der Uhr angelegt werden, und dass die Korrekturschaltung einen Umschalter mit zwei Stellungen ausfweist, der durch die Zeitkonstanzschaltung gesteuert wird, wobei in der ersten Stellung ein erster Zwischenausgang der Frequenzteilerschaltung direkt mit der folgenden Stufe der Freguenzteilerschaltung verbunden ist und wobei in der zweiten Stellung ein zweiter Zwischenausgang der Frequenzteilerschaltung, der einen· niedrigeren Teilerfaktor als der erste Ausgang hat, mit der folgenden Stufe über einen ersten Schalter verbunden ist, der durch die Vergleichsschaltung geschlossen wird, wenn die Uhr nachgeht_;und geöffnet wird, wenn die Uhr vorgeht.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Schaltung zum Anzeigen des Vorhandenseins des Synchronsignals, an deren Eingang die Synchronsignale angelegt werden, durch einen zweiten Schalter, der mit dem ersten Schalter und mit der zweiten Stellung des Umschalters in Reihe geschaltet ist, und durch einen dritten Schalter zwischen dem ersten Zwischenausgang der Freguenzteilerschaltung

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und der folgenden Stufe, wobei die zweiten und dritten Schalter durch die Anzeigeschaltung in entgegengesetztem Sinn gesteuert werden.
3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Umschalter eine erste und eine zweite NAND-Schaltung aufweist, wobei die erste NAND-Schaltung einen ersten Eingang und einen zweiten Eingang hat, die mit dem ersten Zwischenausgang der Frequenzteilerschaltung bzw. mit dem Ausgang der Zeitkonstanzschaltung verbunden sind, und wobei die zweite NAND-Schaltung einen ersten Eingang hat, der mit dem Ausgang der ersten NAND-Schaltung verbunden ist, und deren Ausgang mit der folgenden Stufe der Frequenzteilerschaltung verbunden ist, und dass der erste Schalter aus einer dritten NAND-Schaltung besteht, die drei Eingänge hat, welche mit dem zweiten Zwischenausgang der Frequenzteilerschaltung bzw. mit dem Ausgang der bistabilen Kippschaltung bzw. mit dem Ausgang der Zeitkonstanzschaltung verbunden sind, und" deren Ausgang mit einem zweiten Eingang der zweiten NAND-Schaltung verbunden ist.
4. Einrichtung nach den Ansprüchen 2 und 3, gekennzeichnet durch eine vierte NAND-Schaltung, die zwei Eingänge hat, welche mit dem Ausgang der Zeitkonstanzschaltung bzw. mit dem Ausgang der Anzeigeschaltung verbunden sind, und deren Ausgang mit dem zweiten Eingang der ersten NAND-Schaltung verbunden ist, und dass die dritte NAND-Schaltung einen vierten Eingang besitzt, der mit dem Ausgang der Anzeigeschaltung verbunden ist.
5. Einrichtung nach Anspruch 1", dadurch gekennzeichnet, dass der Umschalter eine erste UND-Schaltung und eine ODER-Schaltung aufweist, wobei die UND-Schaltung einen ersten Eingang und einen zweiten Eingang hat, die mit dem

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ersten Zwischenausgang der Frequenzteilerschaltung bzw. mit dem Ausgang der Zeitkonstanzschaltung verbunden sind, und wobei die ODER-Schaltung einen Eingang hat, der mit dem Ausgang der UND-Schaltung verbunden ist, und deren Ausgang mit der folgenden Stufe der Frequenz teilerschaltung verbunden ist, und dass der erste Schalter aus einer zweiten UND-Schaltung besteht, die drei Eingänge hat, welche mit dem Ausgang der bistabilen Kippschaltung bzw. mit dem zweiten Zwischenausgang der Frequenzteilerschaltung bzw. mit dem Ausgang der Zeitkonstanzschaltung verbunden sind, und deren Ausgang mit einem zweiten Eingang der ODER-Schaltung verbunden ist.
6. Einrichtung nach den Ansprüche 2 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine NAND-Schaltung aufweist, die zwei Eingänge hat, welche mit den Ausgängen der Zeitkonstanzschaltung bzw. der Anzeigeschaltung verbunden sind, und deren Ausgang mit dem zweiten Eingang der ersten UND-Schaltung verbunden ist, und dass die zweite UND-Schaltung einen vierten Eingang besitzt, der mit dem Ausgang der Anzeigeschaltung verbunden ist.
7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeitkonstanzschaltung an der Hinterflanke der Signale der Uhr getriggert wird.
8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeitkonstante der Zeitkonstanzschaltung in bezug auf die Periode der Signale der Uhr in der Grössenordnung eines Tausendstels liegt.

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