デジタル時計をつくる (7) / 32.768KHz 発振回路

74HC4060 の内部回路は、図 1 のようになっています。

14 段の T フリップフロップによる分周回路ですが、ピン出力されているのは 16~1024 分周と 4096~16384 分周です。8 分周以下や 2048 分周ってのは、あまり利用されないのでしょうか。

いろいろ疑問はありますが、時計の基準クロック発振としてよく使われている (いた？) IC のようです。

74HC4060 には、発振回路が内蔵されています。図 2 に、その部分を抜き出しました。インバータが正理論だとかは、まぁ動きに影響ないのでご容赦を。

みてわかるように、これまで仮に使っていた、インバータを使った矩形波発振回路と同じです。左側が NAND ゲートになっていますが、片方の入力に CLR から HIGH がはいれば、インバータと同じ動きをします。

R1 と C1 の時定数で、発振周波数が決まります。R2 は IC の保護用、C2 は異常発振抑止用です。

この定数で約 38KHz になりました。
出力波形は図 3。きれいな矩形波ですが、うーん、なんてゆーか、インバータのゲインがありすぎなような気が。74HC04 を使ったときのように、C2 が必要になります。

74HC4060 を使って、32.768KHz 水晶振動子の発振回路をつくりました。

各定数は、グーグル先生に教わった一般的な値を参考に、カットアンドトライで決めたものです。異常発振したり、オーバートーン発振したり、かなり不安定だったんですが、このあたりで落ちつきました。
ただ、電源投入時にオーバートーン発振します。が、すぐに基本波に戻り、安定します。

ブレッドボードに組んでいるので、しかたがないのかなぁとも思います。でもまぁ、いまのところ確実に発振開始しています。パーツを指で触れて発振が不安定になっても、手を離せば安定します。ドライヤーをあててみたりもしてみましたが、安定してます。
まぁ、いいんじゃないでしょうか。

図 5 は、CLKO ピンで測定した発振波形です。

拡大した波形は記録してないのですが、うーん、まぁ微妙といえばビミョー。やっぱりゲインが大きすぎるんじゃないかなぁ。

そうだ、74HCU04 で比較してみよう。

74HCU04 はインバータですが、アンバッファといわれる、どっちかというとアナログ的な動きをする IC、なんだとか。なので、こうした発振回路に適している、そうです。

その 74HCU04 を使った水晶発振回路が、図 6 です。出力は、回路への影響を避けるため、別の回路をとおして確認します。

定数は、カットアンドトライで、もっとも調子がよさそうなところを選びました。が、よっぽど外さない限り、安定して発振します。オーバートーン発振になることも、異常発振することも、ほとんどありません。
一般的に適切といわれる範囲の定数に、なっていると思います。

図 7 が発振波形です。ひと目で、やんわりした波形だとわかりますよね。波形を拡大してみても、異常発振しそうな振動など、まったくみえません。
電源投入時も、ちょっと一息おきますが、きれいに基本波で立ち上がります。

こうして比較してみると、やっぱり 74HC4060 のほうは、バッファ段数が多いのか、インバータでいうと 74HC04 で発振させるような感じですね。