Synthesis of a digital frequency counter on programmable logic integrated circuits

Abstract

Дана робота присвячена синтезу цифрового частотоміра та вибору елементної бази для його реалізації. У роботі розглянуто два методи вимірювання частоти – метод дискретного підрахунку та метод заповнення. Для кращого розуміння принципів роботи цих методів були складені структурні схеми частотомірів, що базуються на них. Автори розглянули переваги та недоліки різних елементних баз, таких як мікросхеми жорсткої логіки, мікроконтролери та технологія програмованих логічних інтегральних схем (ПЛІС). Виявлено, що мікросхеми жорсткої логіки не задовольняють вимоги до малих габаритів та мають обмежену можливість виконання арифметичних операцій. Мікроконтролери, хоча й мають малі габарити, відзначаються низькою робочою частотою, що може бути недостатньою для деяких застосувань. Застосування ПЛІС-технології виявилося найоптимальнішим варіантом, оскільки вона поєднує високу робочу частоту, невеликі габарити та доступну ціну. У роботі автори синтезували високоточний частотомір з використанням ПЛІС-технології. ПЛІС-технологія надає потенціал для розробки контрольно-вимірювальної апаратури, яка може конкурувати зі стандартними пристроями. Досягнуті результати вказують на те, що обрана елементна база на основі ПЛІС-технології виявилася ефективною і дозволяє отримати високоточні результати вимірювання частоти в діапазоні частот до 1 МГц. У практичній частині роботи було розроблено прототип частотоміра на основі обраної структурної схеми. Додані блоки синтезатора частот та вхідного селектора дозволяють перевірити правильність вимірювання та використовувати різні вхідні сигнали для вимірювання. Для розробки прототипу були використані мікросхеми фірми ALTERA та САПР Quartus. Дані результати можуть бути використані в подальших дослідженнях та розробках у сфері контрольно-вимірювальної техніки. На основі отриманих результатів можна розробляти нові пристрої для точного вимірювання частоти в різних галузях, таких як телекомунікації, медична діагностика, наукові дослідження та багато інших. Синтезований частотомір на основі ПЛІС технології становить ефективний пристрій з точним вимірюванням частоти. Його габарити та матеріальні затрати є оптимальними, що робить його привабливим для широкого застосування. Отримані експериментальні результати підтверджують високу точність та ефективність запропонованого частотоміра.

This work is dedicated to the synthesis of a digital frequency counter and the selection of its hardware implementation. The paper considers two frequency measurement methods: the discrete counting method and the filling method. In order to better understand the principles of these methods, structural diagrams of frequency counters based on them were developed. The authors examined the advantages and disadvantages of different hardware platforms such as rigid logic chips, microcontrollers, and programmable logic integrated circuits (PLIC) technology. It was found that rigid logic chips do not meet the requirements for small size and have limited capability for arithmetic operations. Although microcontrollers have small dimensions, they are characterized by low operating frequencies, which may be insufficient for certain applications. The use of PLIC technology proved to be the most optimal solution as it combines high operating frequency, small size, and affordable cost. In this work, the authors synthesized a high-precision frequency counter using PLIC technology. PLIC technology provides potential for the development of control and measurement equipment that can compete with standard devices. The achieved results indicate that the chosen hardware platform based on PLIC technology proved to be effective and allows for obtaining high-precision frequency measurement results in the frequency range up to 1 MHz. In the practical part of the work, a prototype frequency counter was developed based on the selected structural diagram. Added frequency synthesizer blocks and input selector enable verification of measurement accuracy and the use of various input signals for measurement. The development of the prototype involved the use of ALTERA microchips and the Quartus CAD system. The obtained results can be used in further research and development in the field of control and measurement technology. Based on the results, new devices for accurate frequency measurement can be developed for various fields such as telecommunications, medical diagnostics, scientific research, and many others. The synthesized frequency counter based on PLIC technology represents an efficient device with accurate frequency measurements. Its dimensions and material costs are optimal, making it attractive for a wide range of applications. The experimental results confirm the high accuracy and efficiency of the proposed frequency counter.