1、应用电子技术导论第 1 篇 应用电子技术发展史主讲教师：王震宇联系方式：教学单位：信息学院电子工程系引子：欲了解一门学科，最好的办法是先读读它的历史。发展史的主要内容1.1 经典理论的主要成果1.2 重要发明及其应用1.3 历史的启示1.1 重要的经典理论发现1、早期的磁学研究我国古代早就发现了磁现象。公元前2637 年，黄帝利用磁制成了罗盘针，罗盘的发现是我国四大发明之一。据司马迁记载，公元前 9 世纪，航海家已使用指南针导航了。 1600 年，(相差 4227 年)英国物理学家吉尔伯特经过自己实验得到了大量磁力现象，建立了重要的理论体系。他还证明了诺曼发现的磁倾角的存在。他曾预言在地球的北
2、极，磁针将会变成竖直的，后来被赫德森在 1609 年所证实。他发现过两极装有铁帽的磁石，磁力大大增加，并且发现磁石与铁块越靠近，吸引力越大，同时证明了磁石越大对铁块的吸引也越大。他还发现吸引是相互作用的。吉尔伯特被世人称之为磁学之父。2、早期的电学研究 1600 年，德国科学家库里克制成了第一台产生静电的装置。 1749 年，( 相差 145 年)美国科学家富兰克林，他在电的研究方面作了大量实验，他借用了数学上正负数的概念，第一个科学地用正电、负电概念表示电荷性质。并提出了电荷不能创生、也不能消灭的思想，后人在此基础上发现了电荷守恒定律。他最先提出了避雷针的设想，由此而制造的避雷针，避免了雷击
3、灾难，破除了迷信。富兰克林简介 他出身贫寒，10 岁便辍学做工，12 岁起在印刷所当学徒、帮工但他刻苦好学，因而，他以仅读过两年小学的学历，被美国的哈佛大学、耶鲁大学，英国的牛津大学、爱丁堡大学、圣安德鲁大学等录取，六七所大学授予硕士学位或博士学位。他是自学成才的典范。 1785 年(相差 36 年)法国人库伦用自己发明的扭秤建立了静电学中著名的库仑定律。同年，他在给法国科学院的电力定律的论文中详细地介绍了他的实验装置，测试通过得出实验结果。 1800 年，(相差 15 年)意大利物理学家伏特(A.Volta,1745-1827)发明了第一种化学电源铜锌电池，它能够把化学能不断地转变为电能，维
4、持单一方向的电流持续流动。不久他就开始应用他的理论制造各种有独创性的仪器，这一发明具有时代的意义，引起了电磁学的一场革命。伏特简介伏特生于意大利科莫一个富有的天主教家庭里。伏特十六岁时开始与一些著名的电学家通信，其中有巴黎的诺莱和都灵的贝卡里亚。贝卡里亚是一位很有成就的国际知名的电学家，他劝告伏特少提出理论，多做实验。事实上，伏特年青时期的理论思想远不如他的实验重要。随着岁月的流逝，伏特对静电的了解至少可以和当时最好的电学家媲美。3、电磁学的研究1820 年，(相差 20 年)丹麦物理学家奥斯特(H.C. Oerster, 1777-1851.)通过实验发现了电流对磁针的作用，即电流的磁效应，
5、同年 7 月 21 日以关于磁针上，电冲突作用的实验这篇短短的论文使欧洲物理学界产生了极大震动，导致了大批实验成果的出现，由此开辟了物理学的新领域电磁学。打开了近代电磁学的突破口。1825 年，(相差 5 年)法国科学家安培(H,M.Ampere, 1775-1836)提出了著名的安培定律。他从 1820 年开始在测量电流的磁效应中，发现两个载流导线可以互相吸引，又可以互相排斥。这一发现成为研究电学的基本定律，为电动机的发明作了理论上的准备。生于里昂一个富商的家庭，1824 年担任法兰西学院实验物理学教授。1827 年，当时德国的一位教师欧姆(G.S.Ohm, 1787-1854)，1827
6、年发表了动力电路的数学研究，提出了今天普遍应用的欧姆定律，时年 40 岁。该定律揭示了电阻上电压与电流的定量关系。欧姆的研究，主要是在 18171827 年担任中学物理教师期间进行的！此外，他对几何学(1817 年，他的几何学教科书一书出版)、声学、仪器制造等方面都做出了重大贡献。欧姆简介 1803 年欧姆考入埃尔兰根大学学习，后来由于家庭经济困难，于 1806 年他被迫退学。通过自学，他于 1811 年又重新回到爱尔兰大学，顺利地取得了博士学位。大学毕业后，欧姆靠教书维持生活。从 1820 年起，他开始研究电磁学。为了纪念他，人们把电阻的单位命名为欧姆。其定义是：在电路中两点间，当通过 1
7、安培稳恒电流时，如果这两点间的电压为 1 伏特，那么这两点间导体的电阻便定义为 1 欧姆。1831 年 8 月 26 日终于，英国物理学家法拉第(M.Faraday, 1791-1867) (相差 6 年)完成了电磁感应定律的研究。该定律揭示了磁变生电的规律。这一发现成为发电机和变压器的基本原理，从而使机械能变为电能成为可能，推动了电在工业上的广泛应用，使人类迈向了电气时代。法拉第简介 法拉第生于萨里郡纽因顿的一个铁匠家庭。13 岁就在一家书店当送报和装订书籍的学徒。他有强烈的求知欲，挤出一切休息时间贪婪地力图把他装订的一切书籍内容都从头读一遍。读后还工工整整地作读书笔记；用一些简单器皿照着书
8、上进行实验，仔细观察和分析实验结果，把自己的阁楼变成了小实验室。他家境贫寒，未受过系统的正规教育，但却在众多领域中作出惊人成就，是英国著名物理学家、化学家。在化学、电化学、电磁学等领域都做出过杰出贡献堪称刻苦勤奋、探索真理、不计个人名利的典范，对于青少年富有教育意义。 他的导师戴维(皇家学院实验室主任)，世人却知者甚少。法拉第名人名言 1、希望你们年青的一代，也能象蜡烛为人照明那样，有一分热，发一分光，忠诚而脚踏实地地为人类伟大的事业贡献自己的力量。 2、一旦科学插上幻想的翅膀，它就能赢得胜利。 3、拼命去争取成功，但不要期望一定会成功。 4、爱情既是友谊的代名词，又是我们为共同的事业而奋斗的
9、可靠保证，爱情是人生的良伴，你和心爱的女子同床共眠是因为共同的理想把两颗心紧紧系在一起。4、电路理论及电磁场理论的研究1847 年，(相差 16 年)德国科学家基尔霍夫(G.R. Kirchhoff, 1824-1887) 1845 年，在他还是一个 21 岁大学生的时候提出了著名的电流定律和电压定律，这一年，他发表了第一篇论文，提出了稳恒电路网络中电流、电压、电阻关系的两条电路定律,即著名的基尔霍夫第一电路定律和基尔霍夫第二电路定律，解决了电器设计中电路方面的难题。后来又研究了电路中电的流动和分布，从而阐明了电路中两点间的电势差和静电学的电势这两个物理量在量纲和单位上的一致。使基尔霍夫电路定
10、律具有更广泛的意义，这成为电路分析最基本的依据。直到现在，基尔霍夫电路定律仍旧是解决复杂电路问题的重要工具。基尔霍夫被称为“电路求解大师”。1864 年，苏格兰科学家麦克斯韦(J.C.Maxwell, 1831-1879)，1865 年春(当时 他 32岁)，开始系统地总结他的关于电磁学的研究成果，完成了电磁场理论的经典巨著论电和磁，并于 1873 年出版，提出一组关于电和磁共同遵守的数学方程，即麦克斯韦方程，他预言空间一定存在电磁波。1888 年，(相差 25 年)德国物理学家赫兹(H.R. Hertz, 1857-1894)赫兹对人类最伟大的贡献是用实验证实了电磁波的存在，即他经过艰苦的反
11、复实验，证明麦克斯韦所预言的电磁波确实存在。图 1.1-1 早期研究电磁理论的法拉第、麦克斯韦和赫兹1.2 重要发明及其应用1)1843 年，画家出身的美国人莫尔斯终于发明了电报，用他当时的电报机，可从华盛顿向 40 英里的巴尔的摩发出电文。在他研究之初，为了说服别人为他投资，他得到的回答常常是：“先生，用导线传递消息，你为啥不发明一个能飞向月球的火箭呢？”但莫尔斯的创造欲望经过十多年的奋斗终于实现了。图 1.1-2 莫尔斯和他早期的电报机 2)1866 年，德国工程师西门子，他是电动机、发电机、有轨电车和指南针式电报机的发明人，改进过海底电缆,提出平炉炼钢法,革新了炼钢工艺,西门子公司创始人
12、。他发现了电动原理并用在发电机的改进上。由于电在各方面的应用日益广泛，如照明、电解电镀、电力拖动等，迫切需要更方便地获取电能，以提高效率、降低成本。1882-年，直流高压输电试验成功。但由于直流高压不便于用户直接使用，同年在发明变压器的基础上又实现了远距离交流高压输电。从此，电气化时代开始了。3)1875 年，美国科学家贝尔(A.G. Bell,1847-1922)发明了电话。贝尔当时仅是一名聋哑人学校的教师，经过不断改进，到1878 年，他实现了从波士顿到纽约之间200mile (1mile= 1.609344km= 1760yard)的首次长途通话。贝尔曾经把电话的话音比喻为歌声，他说：“
13、这歌声是永不停止的，因为这是对生活故事的歌颂，而生活是永不停止的。那高悬的电话线正在把生与死、成功与失败的消息传遍全球。 ”图 1.1-3 贝尔和他早期的电话机4)1879 年，美国的发明家爱迪生(T.A.Edison,1847-1931)，他一生只在学校里读过三个月的书，但他勤奋好学，勤于思考，并发明了电灯、留声机、电影摄影机等多种成果，为人类作出了重大的贡献。是举世闻名的美国电学家和发明家，被誉为“发明大王”。爱迪生一生共有约两千项创造发明，为人类的文明和进步做出了巨大的贡献。发明的电灯是钨丝电灯。用电照亮了千家万户。图 1.1-4 爱迪生及他发明的电灯5)1894 年，意大利的发明家马可
14、尼(G.Marconi, 1874-1937)和俄国的波波夫分 别发明了无线电发射和接受。没有受过正规大学教育的 20 岁的马可尼利用赫兹的火花振荡器作为发射器，通过电键的开、闭产生断续的电磁波信号。1895 年他发射的信号传送距离可达 1 公里以上，1897 年发射的信号可在 20km 之外接收到，从此开始了无线电通信的时代。图 1.1-5 马可尼和他的无线电收发报机的原理图6)英国科学家汤姆逊(J.Thomson,1856-1940)在 1895-1897 年间反复测试，证明了电子确实存在。随后，英国科学家弗莱明(J.A.Fleming)在爱迪生发明的热二极管的基础上发明了实用的真空二极管
15、。它具有单向导电特性，能用来整流或检波。7) 1907 年，美国人福斯特(L.D.Forest)发明了真空三极管。1925 年，英国的贝尔德(J.L.Baird)首先发明电视。几乎在同时，美国无线电公司(R.C.A)的工程师诺基(V.K.Zworykin)发明了电视显像管。1933 年，他利用真空二极管、真空三极管和显像管，最早发明了电视机。1936 年，黑白电视机就正式问世了。图 1.1 是贝尔德等发明的早期电视。图 1.1-6 贝尔德等发明早期电视9)1946 年，美国数学家诺依曼(J.V.Noumann)为主设计了第一台电子计算机，这是一个世界奇迹。这台计算机是在美国宾西法尼亚大学莫尔电
16、子工程学院研制成功。这台计算机叫作艾尼亚克(ENIAC ，ElectronicNumerical Integrator And Calculator)。它占地约 165 平方米，使用了 18000 只真空电子管，重 30 吨，每秒钟可运算 5000 次。冯诺依曼对人类的最大贡献是对计算机科学、计算机技术和数值分析的开拓性工作。图 1.1-7 第一台计算机及其设计者 1948 年起，固态电子学的时代向我们走来。1947年 12 月 24 日，贝尔实验室的布拉丁（walterBrattain）、巴丁（ John Bardeem）和肖克利（Willinm Shockley）发明了一种点接触晶体管。这
17、是一种全新的半导体器件，它体积小，电性能稳定，功耗低。这项发明自从 1948 年公布于世起，很快就应用于通信、电视、计算机等领域，促进了电气和电子工程技术的飞速发展。图 1.1-8是电子管和晶体管的发明者。图 1.1-9 是现在广泛应用的各种半导体器件。图 1.1-8 二极电子管、三极电子管和晶体管的发明者图 1.1-9 实际的半导体器件 从 20 世纪 50 年代末期开始，科学又把人类带入了微电子学时代。1958 年，利用单晶硅材料，世界上第一片集成电路（Integrated Circuit，IC）在美国德克萨斯州诞生了。1961 年，福查德公司生产出了第一片商用 IC。到 20 世纪60
18、年代末，在大约四分之一英寸见方的小硅片上可以集成6800 个晶体管和数千个其他元件。从 20 世纪 70 年代起，集成电路技术飞速发展，各种大规模集成电路（LargeIntereated Circuit）和超大规模集成电路（Very LargeIntereated Circuit）层出不穷。由于集成电路成本低、尺寸小、可靠性高、电性能优良等优点并广泛使用，从而引起了工业系统、通信系统、控制系统、计算机系统、测量系统、生物医学系统的革命性发展。图 1.1-10 为集成电路设计和集成电路器件。图 1.1-10 集成电路的设计和若干集成电路器件黄帝2637 0 2000 年 190017001600
19、 18001000吉尔伯特无线电无线电计算机 IC固态电路时代初始阶段 基础阶段电气时代图 1.1-11 电子科学的发展历程中国计算机产业的发展 1956 年(相差 10 年)，夏培肃完成了第一台电子计算机运算器和控制器的设计工作，同时编写了中国第一本电子计算机原理讲义。 1957 年(相差 11 年)，哈尔滨工业大学研制成功中国第一台模拟式电子计算机。 1958 年(相差 12 年)，中国第一台计算机103 型通用数字电子计算机研制成功，运行速度每秒 1500 次。 1959 年，中国研制成功 104 型电子计算机，运算速度每秒 1 万次。 1960 年，中国第一台大型通用电子计算机107型
20、通用电子数字计算机研制成功。 1963 年，中国第一台大型晶体管电子计算机109 机研制成功。 1964 年，441B 全晶体管计算机研制成功。 1965 年，中国第一台百万次集成电路计算机“DJS“型操作系 统编制完成。 1967 年，新型晶体管大型通用数字计算机诞生。 1969 年，北京大学承接研制百万次集成电路数字电子计算机150 机。 1970 年，中国第一台具有多道程序分时操作系统和标准汇编语言的计算机441B型全晶体管计算机研制成功。 1972 年，每秒运算 11 万次的大型集成电路通用数字电子计算机研制成功。 1973 年，中国第一台百万次集成电路电子计算机研制成功。 1974
21、年，DJS130、131、132、135、140、152、153 等 13 个机型先后研制成功。 1976 年，DJS183、184、185、186、1804 机研制成功。 1977 年，中国第一台微型计算机 DJS050 机研制成功。 1979 年，中国研制成功每秒运算 500 万次的集成电路计算机HDS9，王选用中国第一台激光照排机排出样书。 1981 年，中国研制成功的 260 机平均运算速度达到每秒100 万次。 1983 年，“银河号“ 巨型计算机研制成功，运算速度达每秒 1 亿次。 1984 年，联想集团的前身新技术发展公司成立，中国出现第一次微机热。 1985 年，华光型汉字激光
22、照排系统投入生产性使用。 1986 年，中华学习机投入生产。 1987 年，第一台国产的 286 微机长城 286 正式推出。 1988 年，第一台国产 386 微机长城 386 推出，中国发现首例计算机病毒。 1990 年，中国首台高智能计算机EST/IS4260 智能工作站诞生，长城 486 计算机问世。 1991 年，新华社、科技日报、经济日报正式启用汉字激光照排系统。 1992 年，中国最大的汉字字符集6 万电脑汉字字库正式建立。 1993 年，中国第一台 10 亿次巨型银河计算机型通过鉴定。 1994 年，银河计算机型在国家气象局投入正式运行，用于天气中期预报。 1995 年，曙光
23、1000 大型机通过鉴定，其峰值可达每秒 25 亿次。 1996 年，国产联想电脑在国内微机市场销售量第一。 1997 年，银河并行巨型计算机研制成功。1998 年，中国微机销量达 408 万台，国产占有率高达 719。1999 年，银河四代巨型机研制成功。2000 年，我国自行研制成功高性能计算机“神威 I”，其主要技术指标和性能达到国际先进水平。我国成为继美国、日本之后世界上第三个具备研制高性能计算机能力的国家。人类的生产实践和科学实验是不断发展的，永远不会停止在一个水平上。 1948 年起，固态电子学的时代向我们走来。 从 20 世纪 50 年代末期开始，科学又把人类带入了微电子学时代。
24、 1958 年，世界上第一片集成电路(IntegratedCircuit, IC)在美国德克 萨斯州诞生了。1961 年，福查德公司生产出了第一片商用 IC。到 20 世纪 60年代末，在大约四分之一英寸(1inch = 2.54 cm)见方(约 6.1 平方厘米)的小硅片上可以集成 6800 个晶体管和数千个其他元件。超大规模集成电路(VLSI)。例如 80386 微处理器，在面积约为 10mm X 10mm 的单个芯片上，可以集成大约 32 万个晶体管。1.3 历史的启示1)实践是科学和技术发展的基础和唯一检验标准，实践出真知。2)认识论的规律：实践理论实践。3)敢为天下先。不妄自菲薄。4
25、)逻辑思维方法等是学习和科研的重要方法，如库伦的库仑定律(从罗盘扭称库仑定律)。二、本专业的主要基础：电路、信号与系统1、电路所谓电路(Circuit)，是由电的器件相互连接所构成的电流的通路。复杂的电路又常称为网络。当然，网络的含义比较广泛，本书所称的网络均指电网络。电路的分类如下：(1)集总参数电路与分布参数电路；(2)线性电路与非线性电路；(3)时不变电路与时变电路。2、信号 (1)信号与信息消息与信息：人们常常把来自外界的各种报道统称为消息。通常把消息中有意义的内容称为信息。本课程对“信息”和“消息”两词不加严格区分。信号与信息：信号是信息的表现形式(或载体)，信息则是信号的具体内容。
26、 (2)信号与系统什么是系统？系统的概念广义上讲是由若干相互作用、相互依存的事物按一定规律组合的能够完成某些特定功能的整体。如图1.2 示。图 1.2 信号与系统的关系电路的灵魂是传递和处理各种信号(Signal)。信号是消息的表现形式，通常是时间的函数。根据信号波形表现形式可以分为周期信号、非周期信号、模拟信号、数字信号和随机信号等。本书只讨论电信号。图 1.3 为几种典型的信号。 图 1.3 几种典型的信号 a)直流信号；b)阶跃信号；c)正弦信号；d)锯齿波信号；e)方波信号；f)尖脉冲信号图 1.2-2 收音机系统框图图 1.2-3 电路功能的示意图应用电子技术的近期发展更是日新月异，其产品和发明呈现万紫千红，异彩缤纷。例如全球定位系统(GPS)、宇宙通信、遥感遥测(RS)、雷达、 导航、移动通信、控制及远程控制、电子医疗、遗传工程、地理信息系统(GIS)等等，不再一一枚举。思考：1、通过应用电子技术史的学习，有何感想？
