水晶発振器の温度補正で月差0.2秒を実現したニキシー管時計

ニキシー管時計を作ってみたいと思ったのは、2012年ごろでした。YouTubeやニコニコ動画の技術系工作動画で見かけたのがきっかけです。ただ当時は、マイコンも電子回路も知識がほとんどなく、製作には踏み出せませんでした。

その後、2022年に知人のArduinoに触れる機会があり、Lチカ、CO2センサーの電圧の読み取り、7セグメントLEDの表示などを試したことで、「自分でも作れそうだ」と感じるようになりました。そこから、部品の調達と回路設計、プログラミングの勉強を進め、今回の時計を形にしました。

使用したニキシー管は、ソ連製の IN-8-2 8本です。中型サイズのため、基板の面積もある程度広く取れて、回路・基板設計がしやすいと考え、このニキシー管を選びました。数字（0〜9）とドット表示が可能で、hh.mm.ss、mm.ss.s、YYYYMMDD などの表示に対応できます。eBayでポーランドの業者から購入し、送料込みで1本あたり約2,200円でした。

ニキシー管の点灯には 約170 Vの高電圧 が必要です。昇圧回路の自作も考えましたが、今回は初めての基板製作でもあったため、失敗要因を減らすことを優先しました。

そこで、ストロベリー・リナックス社の昇圧モジュール（商品ページ）を基板上に組み込みました。

表示は、輝度を確保するため 8本中2本ずつのダイナミック点灯 で制御しています。構成は次の通りです。

マイコン：PIC18F27Q43（Microchip社 8bit MCU）
アノード制御：TLP188（フォトカプラ）×4（1個につきニキシー管2本）
カソード（数字）制御：HV5812（20chシフトレジスタ）×1（同時に2本分を駆動）
カソード（ドット）制御：TLP188 ×2

ダイナミック点灯のスキャン周波数は 160 Hz に設定しました。体感上のちらつきが出にくい範囲（おおむね100 Hz以上）で、0.1秒表示の設計のしやすさも考慮して決定しました。

表示パターンは以下の2種類を実装しました。

ノーマル表示：数値を即時更新
クロスフェード表示：点灯時間を制御し、数字を滑らかに切り替え

基板には TCXO付きRTC（PCF2129AT）を載せていますが、これは電源OFF時の時刻保持用として使用しています。通常の時刻生成については、自作の温度補正でどこまで精度を追い込めるかを主題としました。

基板上には 水晶発振器（4,194,304 Hz） と 温度センサー（TI TMP236） を近接配置し、発振器付近の温度をアナログ電圧で取得しています。そして、GPSのPPS信号（1秒パルス） を基準に、16パルス区間ごとの発振周波数の偏差と温度を測定・記録しました。

約20〜36 ℃の範囲で、発振周波数は 4,194,304 ± 10 Hz（±2.4 ppm） 程度の変動がありました。測定結果は一次式で近似できる傾向だったため、補正範囲は ±20 Hz まで広げて設計しました。

当初は、2^22 Hz（= 4,194,304 Hz）を単純分周して1秒を作り、温度に応じた遅れ/進みをカウントして補正する方式を検討しました。ただ、補正時に繰り下がり・繰り上がりが発生した場合の処理の実装が複雑で、検討時点ではうまくプログラミングできそうになかったため、採用を見送りました。

次に、PIC18F27Q43内蔵の NCO（数値制御発振器）をFDCモード（50%固定デューティ比）で使う方式に変更しました。入力周波数を n Hz とすると、n/2 Hz 未満の周波数を出力でき、最小刻みは (n/2) / 2^20 Hz です。

今回の条件（n = 4,194,304 Hz）では、1段NCOの最小刻みは 2 Hz です。1段だけだと分解能が不足したため、NCOを2段構成にしました。2段にすることで設定値の組み合わせの最適化が可能になり、最終出力の誤差をより小さくできます。

最終出力は n/4 = 1,048,576 Hz 未満となるため、扱いやすさを優先して 655,360 Hz（= 10 × 2^16） を採用しました。これにより次の流れで1秒を生成できます。

655,360 Hz → 1/16 分周で 40,960 Hz
40,960 Hz → 8bitタイマ（/256）で 160 Hz 割り込み
160 Hz をソフトウェア側でカウントして 1秒生成

さらに実装を簡潔にするため、NCO 2段とも「レジスタ上位側は固定」「下位8bitのみ可変」という制約で補正テーブルを作成しました。この条件でも、最終的に 655,360 ± 0.002 Hz 程度まで追い込めています。

入力が 4,194,304 ± 20 Hz の範囲で変動しても、1 Hz刻み補正時の残差は最大でも約 ±0.5 Hzです。これは 0.5 / 4,194,304 ≒ 0.12 ppm に相当し、1段NCO構成に比べて約10倍細かい調整が可能になりました。

実温度（約）	温度（ADC取得値）	入力周波数偏差（Hz）	NCO1段目レジスタ値	NCO2段目レジスタ値	出力周波数残差（mHz）
～10.31℃	～746	+20	0xD0404	0xC4AF5	-0.1
10.35℃～11.14℃	747～766	+19	0xD04B4	0xC4A4F	-1.1
11.18℃～12.04℃	767～788	+18	0xD0445	0xC4AB8	+0.9
…	…	…	…	…	…
40.72℃～41.50℃	1482～1501	-18	0xD04C4	0xC4A47	-1.4
41.54℃～42.33℃	1502～1521	-19	0xD0467	0xC4A9F	+0.5
42.37℃～	1522～	-20	0xD04CF	0xC4A3D	-1.2

※実温度は TA(℃) = (VOUT(mV) - 400) / 19.5、VOUT = ADC × 3.3V / 4096（12bit ADC）で算出。

水晶発振器：4,194,304 Hz 付近（+20 Hz〜-20 Hz）
第1段NCO：中間周波数（1,706,000 Hz 付近）へ変換
第2段NCO：655,360 Hz へ変換
プリスケーラで 1/16 分周し 40,960 Hz
8bitタイマで 160 Hz 割り込み
ソフトウェアでカウントして 1秒生成

この回路で実際に運用した結果は以下の通りです。1ヶ月経過時点での遅れは0.16秒でした。理論上の見積もり（1日あたり約0.01秒、月差最大0.3秒）と概ね整合していたため、そのまま運用を続けました。

2025年11月12日（約7ヶ月後）、1.0秒の遅れとなり、温度補正が実運用で機能していることを確認できました。

使用したマイコン（PIC18F27Q43）に、性能面の不満はありませんが、スイッチ、センサー、RTCとの通信などに端子を割り当てていった結果、最終的にI/Oを使い切ってしまいました。その結果、温度特性測定時にはマイコン書き込み用の端子をGPSのPPS入力に転用するなど、計測作業がやりにくくなりました。

今後は機能を詰め込みすぎず、デバッグ・テスト用に2〜3本の端子を最初から確保する設計にしたいと思います。

初めてのプリント基板製作としては難易度の高い題材でしたが、オレンジ色の光のニキシー管時計と時刻精度の追い込みを両立でき、満足度の高い作品になりました。

次回は、小型化やGPS連動を前提に、さらに扱いやすい設計へ発展させたいと考えています。