Часовое устройство с полуавтоматической коррекцией Советский патент 1991 года по МПК G04G5/00 

Изобретение относится к электронным часам, в частности к электронным часам с шаговым двигателем.

Цель изобретения - повышение точности счета времени.

На фиг.1 приведена блок-схема часового устройства с полуавтоматической коррекцией; на фиг.2 - временная диаграмма работы при корректировке спешащего часового устройства; на фиг.З - временная диаграмма работы по корректировке отстающего часового устройства.

Часовое устройство (фиг.1)содержит генератор 1, блок 2 коррекции коэффициента деления, делитель 3 частоты, реверсивный счетчик 4. инвертор 5. элемент ИЛИ 6, элементы И-НЕ 7-11, блок 12 формирования импульсов, блок 13 управления шаговым двигателем, выходы 14 и 15 устройства, шину 16 управления, шину 17 обнуления, D-триггера 18-20, элементы И 21-23, элементы ИЛИ-НЕ 24 и 25, счетчик 26 длительности, блок 27 сравнения, счетчик 28 секунд и RS- тригеры 29 и 30.

Блок 2 коррекции коэффициента деления, получая частоту с выхода генератора 1 на первый вход, возпроизводит эту частоту на своем выходе только при нулевом цифровом коде, поступающем на третью группу входов. При любом другом цифровом коде на третьей группе входов блок 2 исключает из импульсной последовательности генератора 1 соответствующее количество импульсов за период коррекции. Указанный период коррекции определяется частотой на четвертом выходе делителя 3, поступающей на второй вход блока 2 и количеством каскадов деления, входящих в состав блока

Os

v| О О vj CJ

2. Для определенности будем считать, что частота на втором входе блока 2 1 Гц, а период коррекции, обеспечиваемый блоком 2, 5 с. При количестве п входов в третьей группе входов блока 2 блок 2 обеспечивает исключение из импульсной последовательности генератора 1 от 0 до (2п-1) импульсов за период коррекции (5 с). Выход блока 2 подключен к счетному входу делителя 3 частоты. Таким образом последовательно со- единенные блок 2 коррекции коэффициента деления и делитель 3 частоты обеспечивают изменение среднего за период коррекции коэффициента деления в зависимости от цифрового кода, поступающего на третью группу входов блока 2.

Делитель 3 частоты обеспечивает деление частоты, поступающей на его счетный вход, до низкой частоты на четвертом выходе. Как правило в электронных часах это частота 1 Гц, необходимая для перемещения секундной стрелки один раз в секунду. С промежуточных выходов делителя снимаются частоты более низкие, чем входная частота делителя 3, но более высокие, чем частота на оконечном четвертом выходе. Для определенности будет считать, что на первом выходе делителя 3 присутствует частота 64 Гц, на втором 32 Гц, на третьем 16 Гц. Частоты на выходах делителя 3 могут быть и другими, что не влияет на сущность изобретения. При подаче уровня О на вход обнуления делителя 3, на всех его выходах устанавливаются уровни О. После снятия уровня О с входа обнуления первый пере- лад из 1 в О на четвертом выходе делителя происходит ровно через один период указанного сигнала (1 с). Блок формирования импульсов согласно прототипу формирует последовательность импульсов с периодом, соответствующим периоду частоты ни первом входе блока 12. Передний фронт каждого формируемого импульса совпадает с перепадом из 1 в О на первом входе блока 12. Длительность импульсов данной последовательности соответствует половине периода частоты на втором входе блока 12. При оговоренных выше частотах на выходах делителя 3 блок 12 формирует импульсы с частотой повторе- ния 1 Гц и длительностью 7,8 мс. При подаче уровня на третий вход блока 12 выработка последовательности импульсов на его выходе прекращается и может быть возобновлена только при подаче О на третий вход блока 12 (вход обнуления).

Блок 13 управления шаговым двигателем поочередно распредяет импульсы, поступающие на его вход, на выходы 14 и 15 устройства. Такая поочередная выработка

импульсов необходима для обеспечения правильной работы шагового двигателя.

Счетчики 26 и 28 одинаковы по своему устройству и представляют собой счетчики по модулю 60. Эти счетчики содержат по 6 счетных триггеров и дополнительную логику, обеспечивающую модуль пересчета 60. Счетчики могут быть построены любым из известных способов.

Выходы первых пяти каскадов обоих счетчиков 26 и 28 подключены к соответствующим входам блока 27 сравнения. При совпадении состояний счетчиков 26 и 28 блок 27 выдает на своем выходе О.

На D-триггерах 18 и 19 и логических элементах 21, 22, 24, 25 построена схема устранения дребезга сигнала с шины 16 управления. Сигнал на шину 16 подается в электронных часах как правило при помощи кнопки и имеет дребезг по переднему и заднему фронтам.

При подаче 1 на информационный вход D-триггера 18 и последующем поступлении перепада из О в 1 на тактовом входе этого триггера последний переходит из нулевого состояния в единичное (1 на прямом выходе, О на инверсном). О с инверсного выхода триггера 18 поступает на информационный вход триггера 19. Если к моменту следующего перепада из О в 1 на счетных входах триггеров 18 и 19 на шине 16 сохраняется уровень 1, то триггер 18 остается в единичном состоянии, а триггер 19 переходит в нулевое. Совпадение 1 с прямого выхода триггера 18 и 1 с инверсного выхода триггера 19 на элементе И 22 приводит к появлению 1 на выходе элемента И 22 и О на выходе элемента ИЛИ- НЕ 25. На входы элемента И 21 поступает О с инверсного выхода триггера 18 и О с прямого выхода триггера 19. На выходе элемента 21 вырабатывается О, который поступает на вход элемента ИЛИ-НЕ 24. На другой вход этого элемента также поступает О с выхода элемента ИЛИ-НЕ 25. На выходе элемента 24 вырабатывается 1, причем выработка ее происходит с некоторым запаздыванием по отношению к перепаду из О в 1 на тактирующих входах триггеров 18 и 19.

При подаче О на шину 16 управления схема устранения дребезга работает аналогичным образом, только триггер 18 переходит в нулевое состояние, а триггер 19 в единичное. Совпадение двух 1й происходит на элементе И 21, и на выходе элемента ИЛИ-НЕ 24 вырабатывается О.

Если за период сигнала на счетных входах триггеров 18 и 19 уровень сигнала на шине 16 меняется, то оба триггера 18 и 19

оказываются в одинаковых состояний. При этом не происходит совпадения двух 1 ни наодномиз элементов И 21 и 22. и уровень сигнала на выходе элемента ИЛИ-НЕ Z4 не изменяется.

Таким образом схема устранения дребезга обеспечивает защиту от дребезга на шине 16 с характерным временем, равным периоду сигнала на тактирующих входах триггеров 18 и 19(16 Гц).

При подаче 1 на шину 16 1 с выхода элемента 24 поступает на счетный вход триггера 20. В это время на инверсном входе сброса данного триггера присутствует 1. а на инверсный информационный вход подан О. Поэтому триггер 20 переходит в единичное состояние по переднему фронту сигнала на выходе элемента 24. Через половину периода частоты на третьем выходе делителя 3 на вход сброса триггера 20 по- ступает О, и триггер 20 возвращается в нулевое состояние.

Таким образом, триггер 20 играет роль дифференцирующей цепи, вырабатывая по переднему фронту сигнала на своем счет- ном входе одиночный импульс с длительностью, равной половине периода сигнала на его входе обнуления.

Рассмотрим работу устройства (фиг.1). В исходном состоянии частота с выхода ге- нератора 1 проходит через блок коррекции, корректируясь в соответствии с кодом, установленным на выходах реверсивного счетчика 4, и поступает на вход делителя 3. На выходах делителя 3 вырабатываются соот- ветствующие более низкие частоты.

Поскольку в исходном состоянии RS- триггеры 29 и 30 обнулены, то с инверсного выхода триггера 29 1 поступает на входы элементов 6 и 7, а 1 с инверсного выхода триггера 30 поступает на третий вход блока 12. Частота с четвертого выхода делителя 3 пропускается через элемент И-НЕ 7 и поступает на вход элемента И-НЕ 8. На другой вход элемента 8 поступает 1 с выхода эле- мента ИЛИ 6. Таким образом, частота с четвертого выхода делителя 3 проходит через элементы 7 и 8 и поступает на первый вход блока 12. На второй вход блока 12 поступает частота с первого выхода делителя 3, а к третьему входу блока 12 приложена 1. Блок 12 вырабатывает последовательность импульсов, поступающих на вход блока 13 и счетный вход счетчика 28. Блок 13 поочередно выдает импульсы последовательности на выходы 14 и 15 устройства.

Для правильной работы устройства счетчик 28 должен быть предварительно обнулен сигналом по шине 17 обнуления. Сигнал обнуления должен быть снят, когда

положение секундной стрелки часов совпадает с нулем секунд. После этого счетчик 28 обеспечивает счет по модулю 60 импульсов с выхода блока 12. Счет происходит синхронно с выработкой импульсов управления шаговым двигателем на выходах 14 и 15 устройства. Таким образом, двоичный код счетчика 28 секунд всегда совпадает с положением секундной стрелки часов.

В процессе эксплуатации часового устройства накапливается его ошибка по отношению к точному времени. Эта ошибка вызывается отклонением частоты с. выхода генератора 1 от необходимого эталонного значения. Показания секундной стрелки часов могут быть откорректированы по сигналам точного времени, если накопленная ошибка не превышает 30 с.

Для коррекции часового устройства по сигналу точного времени, совпадающему с нулем секунд, подается 1 по шине 16 управления. Как было описано выше, на выходе триггера 20 при этом вырабатывается одиночный положительный импульс. Этот импульс через инвертор 5 обнуляет счетчик 26 длительности и делитель 3. Таким образом обеспечивается начало работы делителя 3 от сигнала точного времени.

Импульс с выхода триггера 20 поступает также на входы элементов 9 и 10. К другим входам этих элементов подключены соответственно прямой и инверсный выход последнего каскада счетчика 28 секунд. В соответствии с конструкцией счетчика 28 последний его каскад переходит из нулевого состояния в единичное по 32 импульсу (считая от нулевого состояния счетчика) в прототипе. Если в момент подачи сигнала коррекции на вход 16 последний каскад счетчика 28 находится в нулевом состоянии, то это означает, что часовое устройство спешит. Если последний каскад в момент кор-; рекции находится в единичном состоянии, то часовое устройство считается отстающим. При спешающем часовом устройстве в момент коррекции импульс с триггера 20 совпадает с 1 с инверсного выхода последнего каскада счетчика 28 на элементе И-НЕ 10. О с выхода элемента 10 переводит триггер 30 в единичное состояние. О с инверсного выхода триггера 30 поступает на третий вход блока 12 и запрещает выработку импульсов на его выходе, а значит и выработку импульсов на выходах 14 и 15 устройства. Одновременно О с инверсного выхода триггера 30 поступает на вход элемента И-НЕ 11, обеспечивая 1 на его выходе, поступающую на вход элемента И 23. При этом разрешается прохождение частоты с четвертого выхода делителя 3 через

элемент 23 на счетный вход счетчика 26. Импульсы на выходах 14 и 15 устройства отсутствуют до тех пор, пока состояние счетчика 26 не сравнится с состоянием счетчика 28 и пока блок 27 сравнения не выдаст О на своем выходе, который переводит триггер 30 в нулевое состояние, После перевода триггера 30 в нулевое состояние на третьем входе блока 12 устанавливается 1 и возобновляется выработка импульсов на выходах 14 и 15устройства. В результате при корректировке спешащего часового устройстваа счетчик 28 секунд и секундная стрелка, управляемая импульсами с выходов 14 и 15, оказываются засинхронизированными с точным временем.

При корректировке спешащего часового устройства перепад из О в 1 с прямого выхода триггера 30 поступает также на вход суммирования реверсивного счетчика 4 и увеличивает его состояние на единицу. При этом блок 2 и делитель 3 обеспечивают увеличение коэффициента деления частоты генератора 1 на один дискрет цифровой коррекции. Период частоты на четвертом выходе делителя 3 увеличивается и часовое устройство повышает точность счета времени.

Временная диаграмма работы устройства при коррекции опережения приведена на фиг.2. Пунктиром показаны два пропущенных выходных импульса для случая коррекции опережения на два импульса (2 с).

При отстающем часовом устройстве в момент коррекции по сигналу точного времени импульс с триггера 20 совпадает с 1 с прямого выхода последнего каскада счетчика 28 на элементе И-НЕ 9. О с выхода элемента 9 переводит триггер 29 в единичное состояние. О с инверсного выхода триггера 29 поступает на входы элементов 6 и 7, запрещая прохождение частоты с четвертого выхода делителя 3 через элемент И-НЕ 7 на вход элемента И-НЕ 8. Одновременно разрешается прохождение более высокой частоты с второго выхода делителя 3 через элемент ИЛИ 6 и элемент И-НЕ 8 на первый вход блока 12. Блок 12 формирует импульсную последовательность повышенной частоты (32 Гц) на вход блока 13 и счетчика 28. Это необходимо для того, чтобы часовое устройство догнало точное время за счет ускоренного перемещения секундной стрелки часов и синхронного изменения состояния счетчика 28. О с инверсного выхода триггера 29 поступает также на вход элемента И-НЕ 11, обеспечивая 1 на его выходе, поступающую на вход элемента И 23. При этом разрешается прохождение частоты с четвертого выхода делителя 3 через элемент 23 на счетный вход счетчика 26.

В общем случае при частоте на втором выходе делителя 3 мен шей, чем 32 Гц,

корректировка отстающих часов может занимать 2 и более секунд. За это время вырабатываются очередные импульсы на четвертом выходе делителя 3 Следовательно, если часовое устройство отставало на m

0 секунд, то необходима подача т + 1, гги2 и т.д. импульсов повышенной частоты, чтобы состояние счетчика 28 и секундной стрелки совпали с точным временем после окончания коррекции отставания.

5При совпадении состояний счетчика 28.

на счетный вход которого подается повышенная частота, и счетчика 26, на счетный вход которого подается номинальная частота с четвертого выхода делителя 3 блок 27

0 сравнения вырабатывает О на своем выходе Триггер 29 по этому сигналу возвращаем ч в нулевое состояние, запрещая прохождение частоты с второю выхода делителя 3 через элемент 6 и разрешая

5 прохождение с четвертого выхода делителя 3 чероз .лементы 7 и 8 на первый вход блока 12 Часовое устройство возвращается в исходный режим работы

При корректировке отстающего часово0 го устройства перепад из О в 1 с прямого выхода триггера 29 поступает на вход вычитания реверсивного счетчика 4 и уменьшает его состояние на единицу При этом блок 2 и делитель 3 обеспечивают уменьшение ко5 эффициента деления частоты генератора 1 на один дискрет цифровой коррекции. Период частоты на четвертом выходе делителя 3 уменьшается, и часовое устройство повышает точность счета времени.

0 На фиг.З приведена временная диаграмма работы основных элементов устройства для случая коррекции отставания на четыре импульса (4 с). Пятый импульс в ускоренном режиме подается из-за того, что в

5 процессе коррекции отставания вырабатывается очередной перепад из 1 в О на четвертом выходе делителя 3.

Таким образом часовое устройство с полуавтоматической коррекцией позволяет не

0 только откорректировать показания времени по сигналам точного времени, но и изменить средний коэффициент деления частоты генератора, что повышает точность счета времени. Изменения коэффициента деле5 ния позволяют не только скомпенсировать неточную частоту генератора, но и повышать точность счета времени при воздействии длительных дестабилизирующих факторов (изменение напряжения питания при разряде питающего элемента медленные изменения температуры окружающей среды и т.д.).

Формула изобретения

Часовое устройство с полуавтоматической коррекцией, содержащее генератор, делитель частоты, блок формирования импульсов, блок управления шаговым двигателем, счетчик длительности, блок сравнения, счетчик секунд, инвертор, два элемента И- НЕ, два RS-триггера, шину управления и шину обнуления, подключенную к входу сброса счетчика секунд, счетный вход которого подключен к выходу блока формирования импульсов и входу блока управления шаговым двигателем, выходы которого подключены к первому и второму выходам устройства, первый выход делителя частоты подключен к второму входу блока формирования импульсов, выход инвертора подключен к входам сброса делителя частоты и счетчика длительности, выходы счетчика длительности и счетчика секунд подключены соответственно к первой и второй группам входов блока сравнения, выход которого соединен с входом сброса второго RS-триггера, прямой выход последнего каскада счетчика секунд соединен с первым входом первого элемента И-НЕ, выход которого подключен к входу установки первого триггера, инверсный выход последнего каскада счетчика секунд подключен к первому входу второго элемента И-НЕ, выход которого соединен с входом установки второго RS-триггера, отличающееся тем, что, с целью повышения точности счета времени, в него введены блок коррекции коэффициента деления, реверсивный счетчик, третий четвертый и пятый элементы И-НЕ, элемент ИЛ И, три элемента И, два элемента ИЛИ-НЕ и три D-триггера, первый вход блока коррекции коэффициента деления подключен к выходу генератора, второй вход блока коррекции коэффициента деления соединен с четвертым выходом делителя частоты и первыми входами третьего элемента И-НЕ и третьего элемента И, третья группа входов блока коррекции коэффициента деления соединена с выходами реверсивного счетчика, выход блока коррекции коэффициента деления соединен со счетным входом делителя частоты, второй выход которого подключен к первому входу элемента ИЛИ, третий выход делителя час- тоты соединен со счетными входами первого и второго D-триггеров и входом сброса третьего D-триггера, второй вход третьего элемента И-НЕ соединен с вторым входом элемента ИЛИ, с инверсным выходом первого RS-триггера и первым входом пятого элемента И-НЕ, выход элемента ИЛИ соединен с первым входом четвертого элемента И-НЕ, второй вход которого соединен с выходом третьего элемента И-НЕ, выход

четвертого элемента подключен к первому входу блока формирования импульсов, третий вход которого соединен с инверсным выходом второго RS-триггера и с вторым входом пятого элемента И-НЕ,

выход которого подключен к второму входу третьего элемента И. выход которого соединен со счетным входом счетчика длительности, информационный вход первого D-триггера соединен с шиной управления,

прямой выход первого D-триггера соединен с первым входом второго элемента И, инверсный выход первого D-триггера соединен с информационным входом второго D-триггера и первым входом первого элемента И, прямой выход второго D-триггера соединен с вторым входом первого элемента И, выход которого подключен к первому входу первого элемента ИЛИ-НЕ, инверсный выход второго D-триггера подключен к

второму входу второго элемента И, выход которого соединен с первым входом второго элемента ИЛИ-НЕ, выход первого элемента ИЛИ-НЕ соединен с вторым входом второго элемента ИЛИ-НЕ и со счетным входом

третьего D-триггера, выход второго элемента ИЛИ-НЕ соединен с вторым входом первого элемента ИЛИ-НЕ. информационный вход третьего D-триггера соединен с общей шиной, а прямой выход подключен к входу

инвертора и к вторым входам первого и второго элементов И-НЕ, вход сброса первого RS-триггера соединен с входом сброса второго RS-триггера, прямые выходы первого и второго RS-триггеров подключены к входам

соответственно вычитания и сложения реверсивного счетчика.

S

Вft/г.З

Изобретение может быть использовано для электронных часов с шаговым двигателем. Цель изобретения - повышение точности счета времени путем изменения коэффициента деления по результатам полуавтоматической коррекции. Часовое устройство с полуавтоматической коррекцией содержит генератор, блок коррекции коэффициента деления, делитель частоты, реверсивный счетчик, инвертор, элемент ИЛИ, пять элементов И-НЕ, блок формирования импульсов, блок управления шаговым двигателем, выходы устройства на шаговый двигатель, шины управления и обнуления, три D-триггера, три элемента И, два элемента ИЛИ-НЕ, счетчик длительности, блок сравнения, счетчик секунд и два RS-триггера. Отклонения в результатах частоты тактовых импульсов, поступающих от генератора, корректируются блоком коррекции. 3 ил.