Eine der interessantesten und vielseitigsten Einsatzmöglichkeiten von Computersystemen ist die Erfassung und Verarbeitung von analogen Meßdaten. Zu diesen zählt man digitale Filter, Speicheroszilloskope sowie die Erfassung von Tönen aller Art (Sound-Sampling genannt). Die gestiegenen Anforderungen bei der Meßgenauigkeit vieler physikalischer Vorgänge sind ohne die Meßerfassung durch einen Rechner nicht zu befriedigen. Aber auch die moderne Unterhaltungselektronik profitiert von solcher Technik. Die schon sehr verbreiteten CD-Player verdanken ihre hohe Qualitätsstufe der Digitaltechnik.

Allen diesen Anwendungsmöglichkeiten liegt das gleiche Prinzip zugrunde: die Umsetzung von elektrischen Spannungen als “Rohmaterial” in digitale Daten mittels mathematischer Berechnungen. Aber kein Rechner kann Analogsignale verarbeiten. Aus diesem Grund wird ein analoges Signal (stetiger Spannungsverlauf) an den Eingang eines Umsetzers, des sogenannten A/D-Wandlers geführt, der dann an seinem Ausgang dem Rechner ein digitales Signal in Form einer Zahlenkombination zur Verfügung stellt.

Das hier beschriebene “Sound Sampling” ermöglicht es, Sprache oder sogar ganze Musikstücke mit einem ATARI-ST zu digitalisieren, zu bearbeiten und über den Monitorlautsprecher wieder auszugeben. Selbstverständlich darf man von diesem Sound Sampler nicht HiFi-Qualität erwarten, aber um z.B. einen Programm-Vorspann noch mit Musik zu versehen, reicht sie aus.

Für den interessierten Anfänger, der noch nicht weiß, was ein Sound Sampler ist, oder was der Begriff ‘digitalisieren’ bedeutet, sollen diese jetzt erklärt werden. Was ein Sound-Sampler tut, ist schnell gesagt. Er wandelt die Signale, die ein handelsüblicher Kassettenrekorder, ein Radio oder ein ähnliches Gerät über den Kopfhörerausgang, den Lautsprecheranschluß oderein Mikrofon ausgeben (siehe Bild 1), in für den Computer verständliche Signale um. Da aber ein Computer nichts anderes versteht als Zahlen, muß ein solches Signal in Zahlen umgewandelt werden. Diese Aufgabe übernimmt ein sogenannter Analog-Digital-Wandler. Im Prinzip besteht ein Sound-Sampler aus nichts anderem als einem A/D-Um-setzer. Analog nennt man das Signal, das z.B. ein Kassettenrekorder ausgibt; digital das Signal, das vom Computer verstanden werden kann - Zahlen. Digitalisiert man also etwas, so wird ein Signal in ein für den Computer verständliches verwandelt.

Quantisierung & Abtastung

Um ein Analogsignal (z. B. einen stetigen Spannungsverlauf) in ein digitales umzuwandeln, muß es in bestimmten Abständen abgetastet und dem Spannungswert zur Zeit der Abtastung ein Zahlenwert zugeordnet werden. Diesen Vorgang nennt man Quantisierung. Der zeitliche Abstand zwischen zwei Meßpunkten ( Umwandlungen) wird Abstastfrequenz genannt. Je höher sie ist, umso kürzer sind die immer gleichen Abstände, und desto besser ist die Wiedergabequalität vom Computer. Bild 2 soll dies verdeutlichen. Der schraffierte Teil zeigt die Ungenauigkeit, die bei höherer Abtastfrequenz immer kleiner wird. Die Erfassung eines Analogsignales bzw. seine Verarbeitung in einen digitalen Wert nimmt eine gewisse Zeit in Anspruch. Ändert sich während dieser Zeit das analoge Eingangssignal, so ist mit einem Fehler bei der Umsetzung zu rechnen. Abhilfe würde ein sogenannter “Sample and Hold” am Eingang des A/ D-Wandlers schaffen. Durch diesen Sample and Hold” wird die Eingangsspannung (Probe) für die Dauer der Umwandlung gespeichert, so daß sich das Eingangssignal ändern kann, ohne daß dies einen Einfluß auf die Analog/Digital-Wandlung hat. Ein solcher “Sample and Hold” ist bei dem hier vorgestellten Projekt nicht vorgesehen, da einerseits ein solcher Wandler sehr teuer ist, anderseits für unsere Anwendung ein “normaler” 8-Bit-Wandler vollkommen ausreicht. Ein weiterer wichtiger Faktor für die Qualität einer Digitalisierung ist die Auflösung, mit der das analoge Signal abgetastet (zerlegt) werden kann. Bei unserem 8-Bit-Wandler kann das Eingangssignal in 2⁸ = 256 Schritte (Auflösungsstufen) unterteilt werden.

Beispiel: Ein Signal mit einer Amplitude von 1 Volt_ss kann mit einem 8-Bit-Wandler in 256 Spannungsstufen unterteilt werden, d.h. man hat eine Auflösung von 1/256 gleich 3,91 mV (Millivolt).

Da nun die meisten Computer von der Hardware her nicht in der Lage sind den Digitalisiervorgang durchzuführen, genügt es nicht, einfach die entsprechende Software einzuladen, sondern man muß sich auch einer entsprechenden Schnittstelle zur Außenwelt bedienen, die diese Arbeit erledigt. Ein solches Interface, einen “Sound Sampler” stellt die hier gezeigte Schaltung dar.

Die Hardware

Das Herz des Samplers ist ein etwa 35,-DM teurer A/D-Wandler mit der Bezeichnung ZN427, der problemlos erhältlich ist und auch ohne eine allzu aufwendige Zusatzschaltung auskommt. Der ZN427 ist ein bekannter, leistungsfähiger und schneller 8-Bit-Wandler, der zudem relativ preisgünstig ist. Die maximale Eingangsspannung beträgt 5 Volt, Hier nun die Beschreibung der Anschluß-Pins des ZN427:

Pin 1 Busy: wird während des Wandlungsvorganges auf Low gesetzt, damit der Rechner die Daten als ungültig erkennen kann.

Pin 2 Output Enable: bei Low gehen die Datenausgänge in den hochohmigen Zustand,

Pin 3 Clock-Eingang: regelt den internen Wandlungsvorgang, wobei pro Wert 9 Taktimpulse benötigt werden (8+1).

Pin 4 WR: Die Wandlung wird gestartet, wenn der Rechner diesen Eingang auf Low zieht.

Pin 5 R.ext.: hier liegt die negative Versorgungsspannung an.

Pin 6 U in: Eingang für die analogen Signale.

Pin 7 REFin: bestimmt als Referenzspannungseingang den Wandlungsbereich.

Pin 8 Refout: Ausgang für Referenzspannung (wird mit REFin verbunden).

Pin 9 GND: Masseeingang.

Pin 10 Vcc: Eingang für Spannungsversorgung von +5 Volt, die aus dem Joystickport abgenommen werden,

Pin 11-18 Ausgänge: Von denen aus die digitalen Daten an den Computer geschickt werden.

Die übrigen Bauteile der Schaltung dienen als Oszillatorstufe und der Erzeugung der negativen Versorgungsspannung. Da deren Zusammensetzung relativ einfach gehalten ist, erübrigt sich eine ausführliche Beschreibung.

Der Aufbau

Die gesamte Schaltung des A/D-Wandlers findet auf einer Platine von etwa 10x5 cm Platz, die nur einseitig beschichtet sein muß. Wer sich das Aufzeichnen des Layouts ersparen möchte, kann auch eine Loehrasterplatine verwenden. Die gedruckte Schaltung sieht jedoch besser aus, ist übersichtlicher und dadurch leichter zu bestücken,

Beim Einlöten der Bauteile dürften eigentlich keine Probleme entstehen, lediglich die beiden ICs sollten gesockelt werden.

Ist die Platine bestückt, verbindet man die Datenausgänge und die Strobe-Leitung sowie die Masse durch ein Flachbandkabel mit den entsprechenden Pins eines 25-poligen D-Sub-Steckers, der am Druckerport des ATARI-ST angeschlossen wird. Da dieser Port keine Versorgungsspannung liefert, greift man diese am Joystickport Pin Nr.7 ab. Hierbei ergibt sich allerdings das Problem der Steckverbindung, da die Serienstecker nicht in den Port passen, und bei Joystickkabeln der Pin 7 nicht belegt ist. Ich habe daher von einem Serienstecker die Blechummantelung abgenommen und die Kunststoffteile wieder zusammengeklebt. An Pin 7 liegen +5V an. Ein Stück Flachbandkabel, das blind an einige Pins angelötet wird, dient der Zugentlastung.

Zum Schluß muß noch der Stecker für den Analogeingang angelötet werden. Da es hier verschiedene Typen und Größen gibt, muß man sich dabei nach dem individuellen Ausgabegerät (Kassettenrekorder, Stereoanlage) richten. Jedenfalls muß der Stecker in einen der Ausgänge passen. Ist nun das Gerät fertig zusammengebaut, so läßt es sich folgendermaßen testen:

Man schließt Versorgungsspannung und Analogeingang an und mißt mit einem Multimeter die Spannungswerte am Sockel des ZN427, dabei dürfen noch keine ICs eingesteckt sein.

Pin 2: 5V
Pin 5: -3V
Pin 6: 2,5V
Pin 9: 0V
Pin 10: 5V

An Pin 3 sollte das Oszilloskop eine Rechteckschwingung zeigen. Sind die Werte in Ordnung, steckt man die beiden Chips in die Sockel (auf die Kerbung achten) und schließt noch den D-Sub-Stecker am Druckerport an (im ausgeschalteten Zustand des Rechners), lädt die Software und ab geht die Post.

Da der Monitorlautsprecher des ATARI-ST hohe Töne nicht übertragen kann, erweist sich eine Abtastfrequenz von 20kHz als die beste Lösung, zumal damit bei reservierten 680 KByte stolze 35 Sekunden gesampelt werden können.

Die Software

Der Aufwand der bis hierhin getrieben wurde, ermöglicht es noch nicht, eine digitalisierte Stimme aus dem Lautsprecher des SM 124 hören zu können. Dafür benötigt man noch etwas Software, die die gesamten Informationen (Daten) richtig aufbereitet und wiedergibt. Das hier aufgelistete Assembler-Programm ist die minimale Version eines Sound-Samplers, um Geräusche, Stimmen oder auch Musik aufzunehmen bzw. wiedergeben zu können.

Dank des ausführlich dokumentierten Source Codes ist es wohl kaum nötig, die Arbeitsweise des Programms selbst zu erläutern. Auch das Auswahlmenü erklärt sich eigentlich von selbst. Dennoch soll auf dieses genauer eingegangen werden.

Mit F1 wird der Menüpunkt ‘Hören’ aufgerufen. Hier hat man die Möglichkeit, sich das zu sampelnde Stück schon einmal vorher anzuhören, ohne es gleich in den Speicher zu übernehmen. So lassen sich der beste Anfang und das beste Ende für das Stück leichter finden oder der Klang bei verschiedenen Frequenzen testen. Durch einen Druck auf die Space-Taste kehrt man wieder zum Auswahlmenü zurück.

Mit der F2-Taste kann man ein Stück aufnehmen. Zunächst wird das Stück lediglich gespielt, aber noch nicht in den Speicher übernommen. Durch einen Druck auf die Space-Taste beginnt der eigentliche Aufnahmevorgang. Auf diese Weise läßt sich der Anfang des Stückes sehr genau treffen. Dann wird solange aufgenommen, bis entweder der Speicher voll ist oder die Escape-Taste gedrückt wird. Das Stück wird dann im unteren Teil des Bildschirms als Graph dargestellt.

Stückliste IC1: ZN427
IC2: 14584
R1 390Q
R2 22K
R3 33K
R4 82K
R5 100K
Dl 1N4148
CI 100pF
C2, C3: 10pF
1 D-Sub-Stecker (25-polig)
1 Chinchstecker (Kopfhörer)
1 Joystickbuchse (für ST) 1 IC-Sockel 14 1 IC-Sockel 18

Mit F3 kann ein File von Diskette in den Speicher gelesen werden, um es dann abzuspielen. Es können übrigens auch Files geladen werden, die keine digitalisierte Musik enthalten. Es ist zwar relativ sinnlos, aber bestimmt interessant, wie sich das eine oder andere Programm ‘anhört’.

Durch F4 können die im Speicher befindlichen Daten auf Diskette abgespeichert werden. Sollte auf einer Diskette weniger Platz sein, als für die Daten benötigt werden, wird das File einfach um den entsprechenden Teil gekürzt und dann auf Diskette abgespeichert. Ein paar Bytes werden auf der Diskette immer noch freigelassen.

Durch einen Druck auf F5 kann das Sample abgespielt werden. Es wird so lange wiederholt, bis die Space-Taste gedrückt wird.

Mit F6 kann das Stück rückwärts gespielt werden. Auch hier wird so lange wiederholt, bis die Space Taste gedrückt wird.

Mit F7 läßt sich die Aufnahme- bzw. Hörfrequenz verändern. Diese kann in dem Bereich von 3 bis 22 liegen. Nach dem Programmstart ist sie auf 20 gesetzt. Bei 3 ist die Wiedergabequalität am schlechtesten, bei 22 am besten. Dieser Wert beeinflußt die Menüpunkte ‘Hören’ und ‘Aufnehmen'.

Mit der Funktionstaste F8 läßt sich die Abspielfrequenz verändern. Sie kann in einem Bereich von 3 bis 30 liegen. Dieser Wert beeinflußt die Abspielgeschwindigkeit der Menüpunkte Vorwärts- bzw. Rückwärtsspielen. 30 ist am schnellsten und 3 am langsamsten.

Über F9 läßt sich eine Diskette formatieren. Es gibt die Möglichkeit, entweder eine einseitige oder eine zweiseitige Diskette mit 10 Sektoren zu formatieren.

Mit F10 wird das Programm nach einer Sicherheitsabfrage verlassen.

Da das Programm sehr modular und Übersichtlich aufgebaut ist, dürfte es geübten Programmierern keine größere Schwierigkeiten bereiten, z.B. eine Funktion zur Definition von Blöcken oder andere, eigene Funktionen einzubauen.

Das Assemblerlisting des Sound-Samplers