まずは、手持ちの ATtiny1614（ATtiny414のフラッシュ16kB版）を用いて、

ブレッドボードでDavid氏の非同期TCD 1秒ゲート方式周波数カウンタを実際に作り、

これにタクトスイッチでON/OFF (スリープ) するロジックを追加することにしました。

また、32.768kHzの時計用の水晶もチェックしたいので、発振器は外付けにしました。

 

まずは元の周波数カウンタをブレッドボードに組んで動作させます。16MHzの水晶が発振し、15.9977...と表示しました。
ここからスイッチや外部発振器を加えて、プログラムを改造していきます。
 

スイッチを使って動作中とSleepを切り替える、また数十秒入力がないときは

Sleepするプログラム改造は、ChaNさんの回路内導通チェッカを参考に組み込みます。
このブログでは、この記事ですね。

 

この中のSleep制御を今回のプログラムに組み込んでいきました。

今回の完成したプログラムはgistにUPしています。
todopapa/100MHZ_FREQ_METER_260408c.ino

プログラムの変更内容は末尾に載せた note記事のリンクを参照ください。

省電力化の検討

今回はCR2032電池で駆動しますので、できるだけ省電力になるように回路とソフトを検討しました。

• ATTINY1614のピン割り込みで、スイッチを押したときに起動して、Sleep時は極力電流が流れないようにする。

• 発振回路は74LVC04や、74AHCU04より消費電流の少ない74HCU04で
  設計します。さらに電流消費を減らすためにVccに100Ωを挿入します。

• LCDの待機電流は数10uAと小さくありませんでした。
  発振器と同様に、ポート制御でSleep時は電源をOFFし、起床時にON
  するようにしました。立ち上がりが少し遅く感じるのはそのせいです。

• 空きポートは出力に設定し、”L"にします。

発振回路の検討
Davidさんの元プロジェクトでは、ATTINY内蔵のイベントシステムを利用して、

PA1とPA2間でインバータを作って外部回路なしで水晶チェッカを構成しています。

 2MHｚ～20MHｚまでの水晶の発振確認ができます。

非常にいいアイデアで面白いのですが、今回の水晶チェッカではもう少し
周波数の適用範囲を広くしたいので、発振回路は外付けにしました。
京セラさんのこちらのPDF技術資料を参考にしました。
https://share.google/OjOgbdeYOrG7h31R4

この回路がよく見るCMOS TTLを用いた水晶の発振回路ですね。
TTLの入力と出力を1MΩの帰還抵抗でアンプにします。

 

 

この表が重要ですね。RfとRd（制限抵抗）の値が表になっているのはありがたいです。

Rf＝1MΩ、Rd＝0～1.5kΩです。
負性抵抗Rxは普通いれないですよね（0Ω）。異常発振とかの場合は入れるそうです。
 

C1, C2の値は、水晶のCLによって変わります。（MicroChip資料）

これもユニバーサルな定数を決めるのは難しいですが、想定するHC-49/U水晶のCL=15PFとすれば、浮遊容量を4PFとすると22PFになります。

この内容で決めた下記の回路を基板に組んで、事前確認を行いました。

デバイスも最初は74VHC1GU04を使ったのですが、待機中に10何ｍAも流れるので困りました。発振させるだけですからね。

次に74AHC1GU04を試しました。こちらも7-8ｍA流れるので、最終的に74HC1GU04になりました。
これなら、5-6ｍAしか流れない上に、電源ラインに100Ω入れてさらに電流を抑えたので、4-5ｍAの消費で済むようになりました。

32.768ｋHｚの発振で問題発生！

ここで問題が発生しました。
通常のHC49/Uの水晶なら問題はなかったのですが、時計用の32.768kHzの水晶が発振してくれません。

32.768ｋHｚの発振回路の検討
この件については、同業者（笑）の安孫子おもちゃ病院のHPに詳しく書かれていました。
水晶発振子の動作確認用発振回路の製作（その２）
32.768kHzの水晶って、MHzオーダーで使われるATカットの水晶と違って、音叉型なんですね。Xカットというらしいです。

AI君にお伺いを立てると、「時計用の水晶はESRが数十kΩと大きく、また大きな励磁電力を流すことができない。ESRが数百Ωと小さいATカットの水晶と違う」とのご回答でした。

ネット上で、前の会社で設計時にお世話になっていたアナログデバイスのTNJ-099という技術資料を見つけました。（石井先生、お世話様です）

 

記事によると、石井先生も駆け出し時代に32.768kHzの発振に苦労した経験があるとのことでした。

当時はCMOS ICも4069、帰還抵抗も1MΩあたりを使っていたからでは？ということでした。
時計用の水晶は励磁電力の許容量が小さいので、制限抵抗Rdを100～470kΩと大きくすることも大事で、小さいと壊してしまうこともあるとのこと。

さっそく、この定数に変更して時計用の水晶をつなぐと、こちらもあっさり発振しました。

ブレッドボードでは、この定数でもMHz用のHC49-Uが発振したのですが、
どうも不安定です。

基板に組むと、Rdが大きすぎて全く発振しません。
100kΩ、22kΩ、10kΩと下げていっても、ダメです。
100kΩ以下では、時計用の水晶が発振しなくなります。

原理的にこの両立はむつかしそうです。
発想を転換して、Rd=220kΩにして、ジャンパーピンでショートすれば
Rd＝0Ωになります。帰還抵抗Rf=10MΩでも、問題なく発振します。

こうしてできたファイナルアンサーの発振回路は下記です。

 

 

全体の回路図はこれです。この説明と部品リストとかは次回に持ち越しです。

ここから先の検討の記録とソフトの説明は備忘録としてNoteにまとめています。  

ぜひこちらからご覧ください。
 
次の第２回は、タカチのSW53というケース加工と、ケースに合わせたユニバーサル基板の組み立て、最終調整を記事にしようと思います。

次回をこうご期待！