腕時計の水晶発振子から信号を引き出したい

Question

腕時計内部の32.768KHzの水晶発振子に電線をつないで、信号を外部に引き出せるようにしました。この信号を図のようなオペアンプに入れて、そこからデジタル回路に入ります。動作は正常で、VRを調整することできれいな波形を得ることができました。しかし、周波数は32.766KHzと、僅かに低いです。また、VRを+側 -側ともに、端に近いところまで回すと、周波数が32.74KHzくらいまで下がります。僅かに低い周波数が測定されるのは、水晶発振子に余分な負荷がかかっているからと考えるれば説明がつきます。しかし、VRを端に近いところまで回すとどうして周波数が落ちるのでしょうか？　あと、できるだけ周波数に影響しないように信号を取り出すためには、どうしたらいいでしょうか？　オペアンプ+側の電圧の振幅は0.6Vくらいです。水晶とオペアンプの間に抵抗を入れてみましたが、改善しません。オペアンプはTL072です。水晶のピンはどちらがどちらか不明ですが、波形がきれいな方を選びました。

m-jiro · Accepted Answer

32.768KHzの水晶はインピーダンスが非常に高いのでTL072の入力容量や配線のストレー容量で周波数が狂ってしまいます。水晶の近くに周波数補正のトリマー(可変コンデンサ)があるはずですが一般に20PF程度です。つまり数PFも変われば周波数的には致命傷でしょう。
なお1日の誤差を1秒以内にするには発振周波数精度は、
　　32768Hz × 1秒/86400秒 ＝ 0.38Hz　以内でなくてはなりません。
TL072への配線容量が1PF増えただけでもうダメじゃないかな？

TL072へは波形がきれいな方から接続したとのことですが、発振回路の入力側だと思います(一般に出力側はほぼ方形波になっています)。TL072へは出力側から取った方が影響は少ないと思います。

VRが端の時に周波数が変わる理由ですが、のコモンモード入力範囲が関係しているように思えます。
TL072のコモンモードの許容入力範囲は電源電圧が5Vの時に 0.5V～4.2V となっています。
これを超えると内部回路のどこかのバイアスが狂い、その影響が＋入力に出ているように思われます。入力容量や直流インピーダンスが変化し、発振回路にまで影響しているのでしょう。TL072自身は失神しているのではないかな？
オペアンプにレールトゥーレール型を使うとVRを端にしても影響は小さいはずです。
(ご存知と思いますがレールトゥーレール型はコモンモード入力範囲が GND～VDD です)

go · Answer

私ごときが出る幕ではないかも知れませんが、
先ず「マイナス側の回路の影響がプラス側にでるのは何故か？」については、
普通OPアンプの入力は同じ電流源を使って差動入力回路を構成していることに因ると考えられます。
OPアンプの+－端子が容量を持つことを考慮しなければならない状況をご理解なら、両端子にはリーク電流が流れることにもご存じではないでしょうか？
TL072に限らず入力段の回路を眺めればすぐ分かると思います。
（すみません、周波数が落ちるという考察までは出来ていません。そんな気はしますが、水晶側の回路も分からなといけませんし、面倒なので…）

影響のない方法…（やったこともなく 思いつきですが）容量のちっちゃなMOSを使った方が影響は少ないのではないでしょうか？
ついでの思いつきですが、質問者さんが入れたという抵抗はいくらでしたか？バカデカくして水晶のすぐ横に置いてみるのはどうでしょう？　1-2ショートとか？

銀鱗 · Answer

周波数が変わるのはオペアンプの入力インピーダンスの関係。
グランドと可変抵抗器の間に100Ωほどの固定抵抗を入れてみよう。
それだけで改善します。

腕時計の水晶発振子から信号を引き出したい

32.768KHzの水晶はインピーダンスが非常に高いのでTL072の入力容量や配線のストレー容量で周波数が狂ってしまいます。

私ごときが出る幕ではないかも知れませんが、

周波数が変わるのはオペアンプの入力インピーダンスの関係。

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