Elektor

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Ein Schaltungsprojekt, das den
(Hobby-)Elektroniker ohne langes
Zögern zu Lötkolben, Platine und PC
greifen läßt, ist unser autonomer WAV-
Player mit Sicherheit. Gerade an kalten
Winterabenden, wenn es draußen so
richtig schneit und daheim im Wohn-
zimmer am gemütlichsten ist, macht
der Bau dieser Schaltung besonderen
Spaß. Der Erfolg ist in jedem Fall hör-
bar, unabhängig davon, ob der WAV-
Player als High-Tech-Türklingel, als
Einbrecherscheuche oder als
Geräuschgenerator im Modellbau ein-
gesetzt wird. Die moderne Elektronik
macht es möglich, daß eine ganze
Reihe komplexer Funktionen auf einer
Platine mit recht bescheidenen Abmes-
sungen untergebracht werden können
und die Verbindungen zur Außenwelt
den bekannten Standards entsprechen.
Der WAV-Player ist zu den meisten auf
dem PC gebräuchlichen WAV-Forma-
ten kompatibel. Die Erkennung und

Einstellung nimmt die Software auto-
matisch vor, so daß die Klänge stets mit
der besten möglichen Qualität wieder-
gegeben werden.

E

N T W I C K L U N G S K O N Z E P T

Die Schaltungs- und Programment-
wicklung hatte verschiedene Eigen-
schaften zum Ziel, die den WAV-Player
zum leicht programmierbaren und uni-
versell einsetzbaren Klangerzeuger
machen. Außer einem einfachen und
kompakten Schaltungsaufbau war die
Auswechselbarkeit des Klanges gefor-
dert, so daß sich der WAV-Player von
den bekannten “klingenden Glück-
wunschkarten” wohltuend unterschei-
det. Ferner stand eine akzeptable
Klangdauer bei möglichst hoher Klang-
qualität im Vordergrund der Entwick-
lung. Die Auswechselbarkeit der
Klänge wurde durch ein Flash-EPROM
als Klangspeicher und eine serielle
Schnittstelle erreicht, über die beliebige

Unser WAV-Player ist

eine autonome Schal-

tung, in die Klangdateien

im WAV-Format vom PC

oder einem anderen

Computer über eine inte-

grierte serielle Schnitt-

stelle hineingeladen wer-

den können. Die Länge

des Klanges hängt von

der gewählten Abtastfre-

quenz ab, sie liegt zwi-

schen 8 und 43 Sekun-

den. Herz der Schaltung

ist der Mikrocontroller

AT 90 S 2313 von Atmel.

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WAV-Player

Wave-Klänge ohne
PC und Soundkarte

Spezifikationen

Speicher:

2 Mbit flash

D/A-Wandler:

12 bit

Filter:

5

e

Ordnung (switched capacitor filter)

Serielles Interface:

RS232

Serielles Format:

57k6, 8N1*

Sample-Frequenzen: 6, 8, 11,025 en 22,05 kHz
Wiedergabe:

Mono

Wortbreite:

8 oder 16 bit

Spieldauer:

8…43 Sekunden

Verstärker:

1-Watt-Brückenendstufe

* siehe Text

COMPUTER & PERIPHERIE

WAV-Dateien vom Computer in den
WAV-Player geladen werden können.
Gleichzeitig bedeutet dies, daß die
Klänge vorher mit Hilfe des Compu-
ters und einem dafür geeigneten Pro-
gramm geschnitten, verfremdet oder
auf andere Weise bearbeitet werden
können. Auch die Übernahme von
Klängen, die von CDs oder anderen
Quellen stammen (Urheberrechte
beachten!) und mit der Soundkarte
digitalisiert wurden, ist mit solchen
Programmen meistens möglich. Ein
bekanntes Windows-Shareware-Pro-
gramm, das sich für diesen Zweck
besonders eignet, heißt “Cool Edit”
und stammt von Syntrillium Software.
Zwingend notwendig ist die Win-
dows-Umgebung allerdings nicht;
dank des universellen WAV-Player-
Konzeptes kann auch ein DOS- oder
Mac-Programm zur Bearbeitung der
Klangdateien dienen. Die Dateien kön-
nen mit jedem Terminalprogramm in
den WAV-Player geladen werden, das
das RAW-ASCII-Format beherrscht.
Für Windows-Freunde wurde ein spe-
zieller WAV-Lader geschrieben, durch
den der Dateitransport besonders ein-
fach wird.

H

A R D W A R E

Bild 1 zeigt das Funktionsschema der
Hardware. Im Mittelpunkt steht der
Mikrocontroller AT 90 S 2313 von
Atmel. Der Controller ist auf der einen
Seite über eine serielle RS 232-Schnitt-
stelle mit dem Computer verbunden,
auf der anderen steuert er einen D/A-
Wandler, einen variablen Tiefpaß und
den Endverstärker. Die Klangdateien
werden in einem vom Controller ver-

walteten Flash-EPROM
dauerhaft gespeichert.
Zum Starten der Wie-
dergabe ist ein Taster
(Play) vorhanden, und zwei LEDs
(Play und Record) zeigen den Betriebs-
zustand an. Übrig bleibt noch die
Stromversorgung; aus der Spannung
9 V erzeugt sie die beiden benötigten
Betriebsspannungen 8,4 V und 5 V.
Die hohe Leistungsfähigkeit des AT 90
S 2313 trägt maßgeblich dazu bei, daß
die gesamte Hardware aus nur fünf ICs
besteht. Wie die Schaltung in Bild 2
zeigt, wurde die serielle Schnittstelle
mit einem einzigen diskreten Transistor
(T1) und drei Widerständen realisiert.
Auch die übrigen Komponenten rund
um den Controller sind schnell erklärt:
Der interne Oszillator
arbeitet mit dem exter-
nen Quarz X1 und den

Kondensatoren C1 und
C2. Play-Taster S1 wird
durch die Controller-
Software entprellt, R4

schützt den Controller-Eingang vor
Schäden infolge statischer Aufladun-
gen, und C3 unterdrückt eventuell ein-
gestreute hochfrequente Störsignale.
Die LEDs D1 und D2, die den Betriebs-
zustand signalisieren, sind über Strom-
begrenzungswiderstände mit den Con-
troller-Ausgängen verbunden. Das
Flash-EPROM (IC2) hat eine Speicher-
kapazität von 2 MBit, die in 1024 Seiten
zu 264 Byte organisiert sind. Da zum
Lesen einer Seite 64 Taktimpulse nötig
sind, können die Daten nicht unmittel-
bar vom Flash-EPROM zum D/A-
Wandler transportiert werden, sondern

müssen vorher einen
Ringpuffer (64 Bytes im
RAM) durchlaufen. Die

27

Elektor

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AT90S2313

RECORD

PLAY

PLAY

RS

232

FLASH ROM

RxD

D

A

DATA

FREQ

MUTE

GAIN

9V

0V

8V4

5V

0V

POWER

990015-11

1

Bild 1: Funktions-
schema des autono-
men WAV-Players.

Bild 2: Die Schaltung
besteht im wesentli-
chen aus nur fünf ICs.

(MISO)PB6

(MOSI)PB5

(AIN1)PB1

(AIN0)PB0

PD2(INT0)

PD3(INT1)

(SCK)PB7

(OCI)PB3

PD0(RxD)

PD1(TxD)

PD6(ICP)

PD4(T0)

PD5(T1)

XTAL1

XTAL2

RESET

S2313

AT90

IC1

PB4

PB2

20

10

19

18

17

16

15

14

13

12

11

5

4

1

2

3

6

7

8

9

K1
ISP

C4

100n

R1

100k

R2

100k

R3

10k

T1

BC547B

TxD

R5

1k

R4

3k3

D1

S1

C3

100n

C1

22p

C2

22p

X1

10MHz

R6

1k

D2

IC3

DOUT

VREF

LOAD

VOUT

1257

CLK

DIN

LTC

1

4

8

5

6

2

3

7

C6

100n

CLKOUT

CLKIN

IC4

VOUT

1063

VOS

VIN

LTC

1

4

6

2

8

5

3

7

C8

100n

C7

100n

R8

4k7

R9

4k7

C9

100n

C10

100

µ

10V

R11

15k

C15

2

µ

2

10V

4k7

P1

IC5

GND2

GND1

!OUT-

OUT+

VIN

TDA7052A

VC

VP

1

4

5

6

2

3

7

LS

8

Ω

2W

C14

100n

C5

100n

C13

220

µ

25V

C11

1n

C12

470n

R10

15k

R7

100k

IC6

LP2950CZ5.0

U+

U+

C16

10

µ

10V

D3

1N4001

7...15V

5V

5V

AT45D021

RESET

IC2

SCK

CS

SI

SO

WP

29

32

28

4

1

6

5

7

5V

990015-12

2

gepufferten Daten werden während
des Schreibens der Seitenadresse aus-
gelesen. Ferner sind die Daten so struk-
turiert, daß beim Lesen möglichst
wenig Zeit verlorengeht.
Die Eingänge CLK, DIN und LOAD
des D/A-Wandlers sind mit den Aus-
gängen des Controllers verbunden,
während Ausgang Vout kapazitiv mit
dem nachfolgenden Tiefpaß (IC4)
gekoppelt ist. Der hier verwendete
LTC 1063 gehört zur Gruppe der Swit-
ched Capacitor Filter, er wird ebenfalls
vom Controller gesteuert. Ein kleiner
Schaltungskunstgriff sorgt dafür, daß
die mittlere Filter-Eingangsspannung
2,5 V beträgt. Die benötigte Hilfsspan-
nung wird von R8 und R9 aus der 5-V-
Spannung herabgeteilt und gelangt
über R7 zum Filtereingang. Der Con-
troller steuert die Eigenschaften des Fil-
ters über dessen Taktfrequenz.
Der Lautsprecher wird von dem als
Brückenverstärker betriebenen End-
verstärker-IC TDA 7052 A (IC5) gesteu-
ert; die Ausgangsleistung beträgt ca.
1 W. Die Lautstärke läßt sich von Hand
mit Trimmpoti P1 einstellen. Der Con-
troller sorgt über seinen Ausgang PD3
für die automatische Stummschaltung
(Mute) des Endverstärkers in den Wie-
dergabepausen.
Erklärt werden muß noch die Funktion
von Steckverbinder K1: Mit seiner
Hilfe ist es möglich, die Controller-Soft-
ware unmittelbar in der Schaltung (in-
circuit) zu modifizieren und an die
eigenen Vorstellungen anzupassen.
Der Quellcode des vom Elektor-Labor
entwickelten Originals ist unter der
Bestellnummer EPS 996006-1 zu den
bekannten Bedingungen beim Elektor-
Verlag erhältlich.
Für den Schaltungsaufbau auf der Pla-
tine, deren Layout und Bestückungs-
plan Bild 3 zeigt, sind keine besonde-

ren Hinweise nötig. Wenn die ICs in
Fassungen montiert werden und
sowohl Fassungen als auch ICs seiten-
richtig auf der Platine sitzen, kann
eigentlich nichts schiefgehen.

C

O O L

E

D I T

Bevor eine WAV-Datei in den WAV-
Player geladen werden kann, muß sie
in der Regel bearbeitet und gegebe-
nenfalls in ihrer Länge angepaßt wer-
den. Dazu wird auf dem Computer ein
Klangeditor-Programm gestartet, das
gewissermaßen als Bearbeitungs- und
Schneidetisch dient. Ein vielseitiger
und leistungsfähiger Klangeditor für
den Windows-PC ist das schon
erwähnte Programm “Cool Edit”. Die-
ser Klangeditor ist deshalb empfeh-
lenswert, weil er das Resampling von
Klangdateien (Ändern der Sampling-
Frequenz und -Schrittweite) im Ver-
gleich zu anderen Editoren besonders
gut beherrscht. Die Klangqualität des
resampelten Klanges wird davon in
hohem Maß beeinflußt.
Von der Internet-Website
http://www.syntrillium.com kann man
die neueste Shareware-Version von
Cool Edit kostenlos herunterladen.
Neben vielen anderen nützlichen
Funktionen sind im Zusammenhang
mit dem WAV-Player insbesondere das
Ändern der Sampling-Frequenz, das
Schneiden und Kopieren von Teilen
aus WAV-Dateien und das Anpassen
des Lautstärkepegels von besonderem
Interesse. Ferner kann man ohne große
Umstände eine Stereo-WAV-Datei in
das Mono-Format umwandeln, so daß
die Dateilänge auf ungefähr die Hälfte
schrumpft. Bei der Anzahl der mögli-
chen Abtastwerte pro Sample hat man
die Wahl zwischen 8 Bit (256 Stufen)
und 16 Bit (65536 Stufen).

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Elektor

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(C) ELEKTOR

990015-1

C1

C2

C3

C4

C5

C6

C7

C8

C9

C10

C11

C12

C13

C14

C15

C16

D1

D2

D3

H1

H2

H3

H4

IC1

IC2

IC3

IC4

IC5

IC6

K1

P1

R1

R2

R3

R4

R5

R6

R7

R8

R9

R10

R11

S1

T1

X1

LS

+

0

T

TXD

T

990015-1

(C) ELEKTOR

990015-1

3

Bild 3: Auf dieser Platine finden alle
Bauelemente ihren Platz.

Stückliste

Widerstände:
R1,R2,R7 = 100 k
R3 = 10 k
R4 = 3k3
R5,R6 = 1 k
R8,R9 = 4k7
R10,R11 = 15 k
P1 = 4k7, Trimmpoti, stehend

Kondensatoren:
C1,C2 = 22 p, keramisch
C3…C6,C8,C9,C14 = 100 n, kera-

misch

C7 = 100 n, MKT
C10 = 100

µ/16 V, stehend

C11 = 1 n, MKT
C12 = 470 n, MKT
C13 = 220

µ/25 V, stehend

C15 = 2

µ2/10 V, stehend

C16 = 10

µ/10 V, stehend

Halbleiter:
D1 = LED, High-eff., rot
D2 = LED, High-eff., grün
D3 = 1N4001
T1 = BC547B
IC1 = AT90S2313 10PC (EPS

996505-1)

IC2 = AT45D021JC
IC3 = LTC1257 CN8
IC4 = LTC1063 CN8
IC5 = TDA7052A
IC6 = LP2950CZ5.0

Außerdem:
32-polige PLCC-Fassung für IC2
S1 = Taster, Schließer
LS = 8

Ω/2 W

K1 = 6-polige SIL
X1 = Quarz, 10 MHz
Gehäuse: Bopla E410
Platine: EPS 990015-1*
Programmierter Controller: EPS

996505-1*

Diskette mit Quellkode des Control-

lerprogramms und PC-Windows-
Software: EPS 996006-1*

* siehe Service-Anzeige in der Heft-

mitte

Aus der Tabelle geht hervor, daß die
Wiedergabedauer der gespeicherten
WAV-Datei stark von deren Sample-
Frequenz abhängt. Für “musikalische”
Klänge ist eine möglichst hohe Sample-
Frequenz (hier maximal 22 kHz) zu
empfehlen, während für Sprache und
einfache Geräusche eine niedrigere
Sample-Frequenz ausreicht. Mit der
Sample-Frequenz 8 kHz erzielt man
eine Klangqualität, die ungefähr einer
guten Telefonverbindung entspricht.
Die Anzahl der Sample-Stufen (8 oder
16 Bit) wirkt sich unmittelbar auf das
Signal-Rausch-Verhältnis des wieder-
gegebenen Klanges aus, und ferner
sind die Verzerrungen bei 8-Bit-Sam-
ples höher als bei 16-Bit-Samples. Der
WAV-Player reduziert übrigens 16-Bit-
Dateien auf 12 Bit, denn der D/A-
Wandler (IC3) arbeitet mit einer maxi-
malen Auflösung von nur 12 Bit. Das
ist nicht unbedingt ein Nachteil, denn
dadurch wird ein recht guter Kompro-
miß zwischen Klangqualität und Spei-
cherplatz-Bedarf erzielt. Wenn man
mit dem Klangeditor den Lautstärke-
pegel so wählt, daß der gesamte ver-
fügbare Amplitudenbereich genutzt
wird, ist die Klangqualität optimal. Da
der WAV-Player die Wiedergabe mit
voller Lautstärke startet und am Ende
der Wiedergabedauer abrupt abbricht,
empfiehlt es sich, den Klang mit Hilfe
des Klangeditors “sanft” ein- und aus-
zublenden. Nach einigem Experimen-
tieren dürfte dies ohne große Mühe
gelingen. In jedem Fall muß die Klang-
datei mit dem Klangeditor in ein For-
mat gebracht werden, das vom WAV-
Player verarbeitet werden kann.
Nach Abschluß der Klangbearbeitung
wird die Datei vom Computer in den
WAV-Player geladen. Dafür kann im
Prinzip jedes Programm verwendet
werden, das in der Lage ist, eine Datei
unmodifiziert über eine serielle
Schnittstelle auszugeben. Das Lade-
programm kann ein Terminalpro-
gramm sein, von dem das Format
“RAW-ASCII” unterstützt wird, oder
man greift zu dem speziell für den
WAV-Player geschriebenen Hilfspro-
gramm, das auf der Windows-Ober-
fläche läuft. Beim Hineinladen in den
WAV-Player prüft die WAV-Player-Soft-
ware,

ob die Datei eine WAV-Klangdatei

ist,

die Sample-Frequenz einem der vor-

programmierten Werte entspricht,

es sich um einen monophonen

Klang handelt,

für die Codierung das PCM-Verfah-

ren angewendet wurde,

die Wortbreite 8 oder 16 Bit beträgt.

Wenn alle Bedingungen erfüllt sind,
kann die Datei vollständig in den
WAV-Player geladen werden; ande-
renfalls wird ein erkannter Fehler

durch Aufleuchten der roten LED sig-
nalisiert.
Ein Übertragungsproblem tritt auf,
wenn der PC mit dem Betriebssystem
Windows 3.1 läuft. Bei dieser älteren
Windows-Version liegt die maximale
Übertragungsgeschwindigkeit der seri-
ellen Schnittstellen deutlich niedriger
als die vom WAV-Player verwendete
Geschwindigkeit von 57600 Baud. Das
Problem wird gelöst, indem man beim
Einschalten des WAV-Players den
Taster S1 gedrückt hält. Die WAV-
Player-Software arbeitet dann mit einer
Übertragungsgeschwindigkeit von
9600 Baud, alle übrigen Einstellungen
bleiben unverändert.
Während der Datei-Übertragung
blinkt die rote LED (D1); sie beginnt
kontinuierlich zu leuchten, sobald das
Flash-EPROM seine Kapazitätsgrenze
erreicht hat. Wenn nach einer Karenz-
zeit von 500 ms keine Daten mehr ein-
treffen, verlischt die rote LED. Die

grüne LED (D2) signalisiert die allge-
meine Betriebsbereitschaft des WAV-
Players, sie blinkt während der Wie-
dergabe.
Wenn der WAV-Player als musikalische
Türklingel Verwendung finden soll,
kann die Schaltung an einem handels-
üblichen Steckernetzteil betrieben wer-
den. In diesem Fall übernimmt Taster
S1 die Funktion des Klingelknopfes.
Ein besonderer Überraschungseffekt
entsteht, wenn man für bestimmte
Gelegenheiten (Geburtstage, Weih-
nachten, Ostern usw.) Klänge, Geräu-
sche oder Ansagen in den WAV-Player
lädt, die an das jeweilige Ereignis
anknüpfen. Während der Urlaubszeit
könnte lautes Hundegebell solche Zeit-
genossen abschrecken, die in unlauterer
Absicht an der Haustür klingeln. Der
Phantasie sind auch hier keine Gren-
zen gesetzt.

(990015gd)

29

Elektor

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Bild 4: Mit der Share-
ware-Version des
Klangeditors “Cool
Edit” können Klangda-
teien bequem bearbei-
tet werden.

Dateien, Formate und Spielzeit

Sample-Frequenz

Wortbreite

Dateigröße

Spielzeit

22,05 k

8

256 k

11,92 s

16/12

341 k

7,94 s

11,025 k

8

256 k

23,83 s

16/12

341 k

15,89 s

8 k

8

256 k

32,77 s

16/12

341 k

21,85 s

6 k

8

256 k

43,69 s

16/12

341 k

29,13 s