公開日：2025/11/15

37th Season

#37-1　可変周波数クロック発振器(ひと)

　出力クロックの周波数を、ある程度任意に設定可能な可変周波数クロック発振器を作ってみようと思います。

クロック発振器

　広く一般に使われる水晶発振器🔮は、発振に使う水晶発振子によって決まった周波数を発振出力可能です。発振周波数を変更するには、水晶発振子を物理的に取り換える必要があります。水晶発振子を使った発振器は、非常に高精度な発振が特長です。

　今回作成する可変周波数クロック発振器は、出力するクロックの周波数を、ある程度任意に設定可能な事を特長とします。

ATtiny85を使う

　8DIPと言う小さな筐体に収まったAVRコアのATtiny85(下図)には、RC発振器(8MHz)と、×8逓倍可能なPLLが搭載されています。



　上図のリンク等から辿っていただくと解りますが、「tiny」シリーズでありながらの、相当に高機能なマイコンです。それにもかかわらず、たったの8本しか端子が無く、しかも、その内2本は電源とGNDだというのですから、デバッグもままならず、中々活用の機会が無かったのです。

クロック出力

　今回はATtiny85の内蔵RC発振器8MHzを内蔵PLLで×8逓倍したPCK @64MHzを作り出して使います。ATtiny85の8ビットタイマTC1には、カウントクロックとしてPLLで×8逓倍したPCKを使用可能なモードが備わっています。
　8ビットタイマTC1でデューティ50%のPWMを生成して出力すると、最高でPCK/2の周波数である、32MHzクロックを出力することができます。以降、TC1のPWM出力をクロック出力CLKOと称します。
　CLKOの周波数を決定する要因は、以下の4点です。

• RC発振器の発振周波数
• デフォルトでは、8MHzのクロックがシステムクロックCKとしてATtiny85全体を駆動。
• OSCCALレジスタによって、周波数を変更することができる。
• 個体差があるが、手元の個体では、約5〜17MHzの範囲で調整できることが判っている。
• PLLの逓倍率
• PLLの参照クロックは、常に内蔵RC発振器の出力クロック。
• PLLの出力クロックがPCK。
• PLLCSRレジスタのLSMビットによって、PLLの出力クロック周波数を変更できる。
• LSM＝0：　参照クロック÷1分周×8逓倍(リセット後のデフォルト)
• LSM＝1：　参照クロック÷2分周×8逓倍
• TC1カウントクロックの分周比選択
• TC1のカウントクロックをPCK/1〜PCK/16,384の間で選択可能。
• TC1のタイマ周期
• TC1のタイマ周期を2〜512[サイクル]の範囲で選択可能。

　ただしPLL出力クロックPCKの最高周波数は、データシートによると85MHz(MIN)で飽和する様です。例えば手元の個体では、RC発振器の周波数を17MHzまで引き上げることができますが、×8逓倍しても136MHzのPCKは得られず、85MHz辺りで飽和するという事です。
　これはMIN規定なので、個体によって実力では85MHzを超えた周波数まで発振するかもしれませんが、仕様通りだと仮定すると、最高で85MHz÷2＝42.5MHzまでのクロック出力が可能です。

RC発振器の周波数

　内蔵RC発振器を所望の周波数で発振させるためには、校正データの取得が必要です(下図)。



　校正データの取得方法に関しては、こちらの記事「#29-4　ATtiny85の内蔵RC発振器」でご確認ください。
　上図グラフは、筆者手元のATtiny85で実測したデータで作図したものです。個体差があるので、皆様お手元のATtiny85で各々計測する必要があります。

C言語へ埋め込む

　取得した校正データから、変換表に相当するC言語の埋め込みデータを生成する必要があります。生成規則を以下に示します。

　　変換表の生成規則：

• 変換表は、256要素からなる符号無16ビット整数配列とする。
• 変換表の要素番号[0]〜[255]は、
• 内蔵RC発振周波数fOSC[MHz]＝[要素番号]÷16＋4の式で対応する。
• 要素番号について解くと、[要素番号]＝int ((fOSC−4)×16)。
• ×16倍の固定小数なので、解像度は1MHz÷16＝0.0625MHz＝62.5kHz。
• 各要素(符号無16ビット整数)の、
• 上位8ビットは、OSCFRQレジスタから読み出すことができる値。
• fOSCに一番近いOSCCALレジスタ値を探し、
• その時の周波数(校正値)fCALとすると、
• int (fCAL−4)×16)とする。
• 下位8ビットは、fOSCに一番近い周波数となるOSCCALレジスタ値とする。
• この様に生成した物を「周波数−OSCCAL変換表」と呼ぶ事とする。

　以上の規則で変換表を生成するスクリプトを以下にリンクしておきます。

　　生成スクリプト：ti85_vclkgen_frqcal.olv

※スクリプト(.olv)を実行するには拙作Olive+をWindowsにインストールしてください。

　こちらの実験にて【eval】コマンドを実行した時のログを、「ti85_vclkgen_frqcal.txt」と言うファイル名でスクリプトと同じディレクトリに格納して、実行してください。

　　ログファイルサンプル：ti85_vclkgen_frqcal.txt
　　eval
　　0,5045
　　1,5071
　　2,5093
　　3,5118
　　：
　　：　(中略)
　　：
　　252,16537
　　253,16729
　　254,16849
　　255,17071
　　OK: eval

　スクリプトを使って生成したソースリスト(一部抜粋)を以下に示します。

　　変換表のソースリスト(一部抜粋)：
　　// RC oscillator; frequency - OSCCAL conversion table
　　PROGMEM　const　uint16　OSCFRQ[]=
　　{
　　　　0x1100, 0x1100, 0x1100, 0x1100, 0x1100, 0x1100, 0x1100, 0x1100,
　　　　0x1100, 0x1100, 0x1100, 0x1100, 0x1100, 0x1100, 0x1100, 0x1100,
　　　　0x1100, 0x1101, 0x1203, 0x1306, 0x1409, 0x150c, 0x160e, 0x1711,
　　　　0x1813, 0x1916, 0x1a19, 0x1b1b, 0x1c1d, 0x1d1f, 0x1e21, 0x1f23,
　　　　：
　　　　：　(中略)
　　　　：
　　　　0xc0f8, 0xc0f7, 0xc3f9, 0xc3f9, 0xc5fa, 0xc5fa, 0xc5fa, 0xc7fb,
　　　　0xc7fb, 0xc9fc, 0xc9fc, 0xccfd, 0xccfd, 0xcefe, 0xcefe, 0xcefe,
　　　　0xd1ff, 0xd1ff, 0xd1ff, 0xd1ff, 0xd1ff, 0xd1ff, 0xd1ff, 0xd1ff,
　　　　0xd1ff, 0xd1ff, 0xd1ff, 0xd1ff, 0xd1ff, 0xd1ff, 0xd1ff, 0xd1ff,
　　　　0xd1ff, 0xd1ff, 0xd1ff, 0xd1ff, 0xd1ff, 0xd1ff, 0xd1ff, 0xd1ff,
　　　　0xd1ff, 0xd1ff, 0xd1ff, 0xd1ff, 0xd1ff, 0xd1ff, 0xd1ff, 0xd1ff,
　　　　0xd1ff, 0xd1ff, 0xd1ff, 0xd1ff, 0xd1ff, 0xd1ff, 0xd1ff, 0xd1ff,
　　　　0xd1ff, 0xd1ff, 0xd1ff, 0xd1ff, 0xd1ff, 0xd1ff, 0xd1ff, 0xd1ff
　　};

　この変換表はATtiny85の個体差があるため、皆様自身で計測して作成する必要があります。

可変周波数クロック発振器

　可変周波数クロック発振器としての仕様を策定して行きましょう。基本的にはI2Cで接続して、I2Cマスタデバイスから出力周波数を制御可能な装置に仕上げて行きたいと思います。

I2C接続スレーブデバイス

　可変周波数クロック発振器自体は、I2Cスレーブデバイスとなります。
　スレーブアドレスは、コンパイル時に指定した定数値で設定可能とします(以下コード)。

　　const　int　i2c_slv_adr=0x0c;　　// i2c: slave address (7 bits)

　もし他のI2Cスレーブデバイスとスレーブアドレスが重複した場合、上の定数を変更して再コンパイル＆書き込みすれば良いことなので、何らかの端子を読み取って動的にアドレスを変更するような機構は設けません。

　プログラムとしては、ATtiny85のWireライブラリがスレーブアクセスに対応しているので、他のArduinoと同じ様に応用できます。
　アクセス仕様は、SMBus準拠のバイト読み出し／バイト書き込みとします。

I/Oレジスタ仕様

　I2C通信でアクセス可能な、I/Oレジスタの目標仕様を以下に示します。

　　I/Oレジスタ目標仕様：

• アドレス0x00：　CMNDIDレジスタ
• 以下のコマンドを書き込んで実行できる。
• コマンド0x01(SNAP)：　スナップ書き込み
• 本コマンド実行時点の出力クロック設定(I/Oレジスタ値)を、初期値としてATtiny85内蔵EEPROMに書き込む。
• 次回起動時、EEPROMから読み出したレジスタ値に従って、クロックを出力する。
• コマンド0x02(DFLT)：　スナップ消去
• EEPROMに書き込んだデータをクリアして、初期値に戻す。
• クロック出力の初期値は、ATtiny85のRC発振周波数8MHzとなる。
• 読み出すと、IDコード(＝0x4f)が読み出せる。
• アドレス0x01：　OSCCALレジスタ
• ATtiny85(データシート参照)のOSCCALレジスタへアクセス可能(読み出し／書き込み)。
• アドレス0x02：　OSCFRQレジスタ
• ATtiny85内蔵RC発振器の周波数を設定する。
• 設定したい周波数をfOSC[MHz]とすると、書き込む値はint ((fOSC−4MHz)×16)。
• 16倍の固定小数なので、設定可能な解像度は1MHz÷16＝0.0625MHz＝62.5kHz。
• 例）fOSC＝6.25MHzを設定したい場合
• OSCFRQ＝int ((6.25MHz−4MHz)×16)＝0x24を書き込む。
• 8ビットレジスタなので、書き込み可能な周波数範囲は、4MHz≦fOSC＜20MHz。
• OSCFRQレジスタへの書き込みで、対応する値がOSCCALレジスタに転送される。
• 読み出すと、OSCCALで設定できた実際の周波数fCALが読み出せる。
• 読み出し値は、int ((fCAL−4MHz)×16)として符号化されている。
• これは、書き込んだ値と同じ形式。
• つまり、書き込んだ値と同じ値を読み出せたら、希望の周波数fOSCに設定できたと判る。
• 希望の周波数fOSCに設定できなかった場合、一番近く設定可能だった周波数fCALが読み出される。
• アドレス0x03：　PLLCSRレジスタ
• ATtiny85のPLLCSRレジスタへアクセス可能(読み出し／書き込み)。
• ただし、アクセス可能なのは、LSMビット(ビット7)、PLOCKフラグ(ビット0)のみ。
• LSMビット：　PLLの参照クロック選択。
• LSM＝0でRC発振周波数÷1×8逓倍。
• LSM＝1でRC発振周波数÷2×8逓倍。
• PLOCKフラグ：　読み出し専用。PLLがロックすると、1が読み出せる。
• アドレス0x04：　TCCR1レジスタ
• ATtiny85のTC1タイマTCCR1レジスタへアクセス可能(読み出し／書き込み)。
• ただし、アクセス可能なのは、CS1フィールド(下位4ビット)のみ。
• CS1フィールド：　カウントクロックをPCK÷1，……，PCK÷16,384に設定する。
• CS1＝0だと、カウント停止。
• そうでなければ、カウントクロックをPCK÷(1<<(CS1−1))に設定する。
• アドレス0x05：　OCR1Cレジスタ
• ATtiny85のTC1タイマOCR1Cレジスタへアクセス可能(読み出し／書き込み)。
• TC1が出力するPWMの周期が(OCR1C＋1)×2[カウント]となる。

　出力クロックCLKOの周波数は以下式で表すことができます。

　　fCLKO＝fCPU(OSCCAL)÷PLLCSR[LSM]×8逓倍÷TCCR1[CS1]÷(OCR1C＋1)÷2

　8ビットタイマTC1の設定(CS1フィールドやOCR1Cレジスタ)で制御できるのは大まかな周波数なので、細かな周波数を制御したい場合は、OSCCAL(やOSCFRQ)レジスタによる設定が有効です。
　従って、事前にしっかり校正データを取得しておくことが必須です。


　目標仕様策定の途中ですが、一旦切っておきます。まだまだ、先は長そうですので、慌てず進めたいと思います。