ロジックICだけで時計を作る［製作編］

ディスクリートロジック時計とは？

ディスクリートロジック時計とは、マイコンを使わず、いわゆるDIP部品のロジックICだけを組み合わせて作った時計のことです。

写真を見て頂ければわかると思いますが、ロジックICが大量に整然と並んでおり大変インスタ映え(死語)する外観となっております。作ってみたいというストイックな方のために、製作可能なデータを公開します。

ちなみに作った経緯は、最初はとりあえずニキシー管を使っていれば何でも良かったのですが、

ニキシー管の構造上、たまに表示が変化する方が見栄えがあるなあ　→
実用性も考えて温度計とかもいいけど、やっぱり時計かなあ　→
どうせレトロなデバイスなんだから、とことんレトロに作ろうか　→
じゃあマイコンなんて使わずに全部ロジックICで作ってみよう

…という思考の流れで5秒くらいで決めました(笑)。後悔はしていない。

仕様

重要なことですが、この時計は現代のマイコンで動作する時計に比べると機能的には大変見劣りします。GPSやNTPや電波による自動時刻補正・アラーム・ストップウォッチなどの便利機能はまったく付いてません。そういうのを望む人にはこの時計は向きませんのでご注意ください。

	仕様
電源	主電源：AC6V 50/60Hz　※DC(直流)電源では動作しません サブ(停電中)：DC6〜7V + サブクロック(100/120Hz)
消費電力	約3W
表示デバイス	ニキシー管(IN-12)×4本 スタティック表示方式
経時動作	電源同期式 50Hz/60Hzスイッチ切り替え可能
時刻表示	・スイッチによる12/24h切り替え可能 ・常時「時：分」表示(スイッチ押下により「分：秒」表示に切り替え可能) ・コロン点滅(1Hz) ・明るさ検知による自動表示OFF(暗くなると表示OFF)
アラーム機能	なし
自動時刻補正	なし ただし、電源同期式のためほぼずれることはありません
秒桁リセット	「分：秒」表示中に時刻設定スイッチ押下で秒桁を0にリセットできます 時報に同期させるとき便利です
停電検知表示	停電時はAM/PMを点滅表示
停電時バックアップ	オプション ※停電検知回路は内蔵していますが、停電時の動作用クロック(サブクロック)は別途用意する必要があります ※停電時は時刻表示しません

製作データ

製作データは下記です。KiCadの基板データなどはGithubで公開しているのでそちらからダウンロードしてください。

※部品リスト(CSVファイル)に文字化けが発生していたため、修正しました。カンマ区切りのファイルとして読み込んでください。

部品を購入しましょう

まずは部品を購入しましょう。

部品リストをExcelかLibre Officeなどで開いて、自分が持っていない部品をチェックして購入します。IC類はICソケットを使って実装することをお勧めします。これだけたくさん実装するので、間違えて実装してしまうこともありますからね。

ニキシー管は消耗品なので必ずソケットを使ってください。以下のようなものです。

汎用部品たち

部品は秋月電子通商かDigiKeyなどで購入できます。ニキシー管はAmazonとかでも購入できますし、海外のセラーからeBayなどで購入することもできます。

一式の部品を揃えるとだいたい3万円くらいかかるので、予算を確保してから着手した方が良いでしょう。

設計の詳細が知りたい！という方は下記をご覧いただくと、なんとなく設計時の様子が垣間見えると思います。

基板

回路図を見ながらユニバーサル基板で製作しても良いですが、配線数が非常に多いので基板を製作することをお勧めします。

基板データは以下の仕様で作られています。

基板のガーバーデータはGithubの ¥gbr フォルダに基板のガーバーファイルが置いてありますので、そのまま発注可能です。ちなみにFusion PCBでは1枚約二千円でした。

製作

基板に部品を実装する時のセオリーですが、背の低い部品から実装していきます。

抵抗・ダイオード → IC(ソケット) → コンデンサ類 → その他 の順番で実装していくと組み立てやすいと思います。メインのニキシー管は一番背が高いので一番最後です。

抵抗・ダイオード・背の低いセラミックコンデンサ類を実装した写真が以下です。

ICなども少しずつ実装していきます。下の写真では動作確認のため5Vレギュレータとヒートシンクも実装していますが、背が高いので順番的には最後の方が良いです。
(左中央の黒いリード線はデバッグ用にGNDを引っ張り出しているだけなので無視してください。)

あらかた実装すると以下のようになります。このあと、トランスやニキシー管ソケットなども実装します。

AM/PM・コロンのネオン管はニキシー管の高さに合うようにリード線を長くして実装します。言うまでもありませんが、リード線の片方は絶縁チューブを被せて絶縁しましょう。

電源・スイッチ類の接続

基板が完成したら電源(5V・GND間とHT・GND間)のショートチェックを行ってから、電源などを接続して動作確認しましょう。

電源を接続するとすぐに動作を開始しますが、部品が熱くなったり焦げ臭いなど異常があればすぐに電源を切り、組み立てに間違いがないことを確認します。

電源コネクタ

このコネクタから基板の電源を供給します。

AC6Vで500mA程度供給できる電源を接続してください。この時計は電源同期式なのでAC(交流)を供給しないと動作しません。

スイッチコネクタ

基板上にもスイッチを実装するパターンがありますが、このコネクタから操作パネルなどに引き出すことができます。

スイッチ入力はGNDに接続するとON、開放でOFFになります。基板上のスイッチしか使わない場合は何も接続する必要はありません。

停電用コネクタ

停電した場合用の電源と動作用クロックを外部から供給するためのコネクタです。停電時にバックアップ動作をさせない場合は何も接続する必要はありません。

調整の仕方と使い方

電源コネクタ(CN1)にAC6Vを供給すると、ただちに動作を開始します。(スイッチの状態をラッチしている関係で、電源ON直後の表示は 0:01 になります。)

ただしRV2(明るさ検知)と周囲の明るさによってはニキシー管への供給電源がOFFになり、何も表示されないことがあるので調整します。

明るさセンサーの調整

まずはRV2を最小側(TP6の電圧=0V付近)に回しきります。ニキシー管は常時点灯状態になるはず。

この状態で部屋の照明を消し、少しずつRV2をTP6の電圧が大きくなる側に回していくとニキシー管が消灯します。これで調整完了です。(だいたいTP6は0.5〜1Vくらいになるはずです。)

もし明るさ検知は不要で常時点灯で使いたい場合は、RV2を最小側に回しきったままで問題ありません。

逆に、たとえば長期間不在にするから常時消灯したい場合はRV2を最大まで回しきってください。(目安として、TP6=3.5V以上でどんなに周囲が明るくなっても常時消灯になります。)

クロック生成回路の調整

TP3(VREF_CLK)が2.0Vになるよう、RV1を調整します。

この調整を正しく行うことで、AC電源からきれいなクロック信号を生成できるようになります。

オシロスコープがあれば、TP8(CLK_MAIN)のデューティー比が50%くらいになるよう調整すると良いでしょう。(ちなみに、デューティー比が10%とか90%とか極端でない限り、とくに問題なく動作します。デューティー比の調整は気分的なものです。)

電源周波数の設定

電源周波数に応じて、SW5(または FREQUENCY Switch IN)を切り替えてください。

通常使用中にこのスイッチを切り替えても壊れることはありませんが、分周比が変更されるため表示する時刻にズレが生じてきます。最初に設定した後は触らないことをお勧めします。

スイッチ操作

タクトスイッチで時刻の設定や表示を変更できます。

電源投入後、時刻を設定するまではAM/PMコロンが点滅して停電を示したままになるので、必ず時刻を設定して使用してください。

停電検知

電源が遮断されるなど、回路にリセットがかかり表示している時刻が正確でない可能性がある場合、12h/24h表示設定によらずAM/PMネオンが1Hzで点滅します。

FASTまたはSLOWスイッチを押下する(=時刻設定を行おうとする)と点滅が止まります。

サブクロックと停電用電源の供給

CN2から、停電時に供給する電源と動作クロック(サブクロック)を供給することができます。

停電したらその都度時刻を設定し直すからいい、という場合は何も接続する必要はないです。

この機能を使う場合、停電検知によりただちに電源と動作クロックが切り替わるので、これらはAC電源で動作時も常に供給し続けておく必要があります。

サブクロックは50Hzなら3.2768MHz、60Hzなら3.93216MHzを1/32768させると得ることができます。

このサイトでは公開しませんが、基板には蛇の目領域を用意しているのでそこに回路を組み立てることもできます。作りたい方はぜひ作ってみてください。

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