電子信息工程概論（第2版）：第一章 電子信息技術(shù)簡介

1、第第1 1節(jié)節(jié) 電子信息技術(shù)簡介電子信息技術(shù)簡介 1.1 1.1 電的發(fā)現(xiàn)與發(fā)展電的發(fā)現(xiàn)與發(fā)展 1.2 1.2 電子線路元件的發(fā)展電子線路元件的發(fā)展 1.3 1.3 近代通信技術(shù)發(fā)展近代通信技術(shù)發(fā)展 1.4 1.4 計算機(jī)的發(fā)展計算機(jī)的發(fā)展 1.51.5自動控制理論的發(fā)展自動控制理論的發(fā)展 電子信息工程 o 電子信息工程是一門應(yīng)用計算機(jī)等現(xiàn)代化技 術(shù)進(jìn)行電子信息控制和信息處理的學(xué)科，主 要研究信息的獲取與處理，電子設(shè)備與信息 系統(tǒng)的設(shè)計、開發(fā)、應(yīng)用和集成。電子信息 工程已經(jīng)涵蓋了社會的諸多方面。電子信息 工程專業(yè)是集現(xiàn)代電子技術(shù)、信息技術(shù)、通 信技術(shù)于一體的寬口徑寬口徑專業(yè)。 涉及的主要技術(shù)領(lǐng)

2、域 o 電子技術(shù) o 計算機(jī)技術(shù) o 信息技術(shù)：信息獲取、分析、處理、傳輸 o控制工程控制工程 1.2 1.2 電子線路元件的發(fā)展電子線路元件的發(fā)展 電子電子 電子管電子管 晶體管晶體管 集成電路集成電路 發(fā)現(xiàn)電子 o 1897年，英國科學(xué)家年，英國科學(xué)家湯姆孫用湯姆孫用“電子電子” 一詞命名他確認(rèn)的這種帶負(fù)電微粒一詞命名他確認(rèn)的這種帶負(fù)電微粒 圖圖 1-301-30英國工程師弗萊明英國工程師弗萊明 圖圖 1-31 1-31 真空電子二極管（真空電子二極管（19041904年）年） 1.2.2 1.2.2 電子管電子管 圖圖1-321-32美國發(fā)明家德福雷斯特美國發(fā)明家德福雷斯特 圖圖1-33

3、 1-33 真空三極管真空三極管 1.2.2 1.2.2 電子管電子管 圖圖1-34 1-34 晶體管的三位發(fā)明人：巴丁、肖克萊、布拉頓晶體管的三位發(fā)明人：巴丁、肖克萊、布拉頓 1.2.3 1.2.3 晶體管晶體管 圖圖1-35 1-35 晶體管的早期模式和第一個晶體管晶體管的早期模式和第一個晶體管 1.2.3 1.2.3 晶體管晶體管 o 晶體管的發(fā)明是晶體管的發(fā)明是2020世紀(jì)最偉大的發(fā)明，世紀(jì)最偉大的發(fā)明， 它為集成電路的出現(xiàn)拉開了序幕，晶體它為集成電路的出現(xiàn)拉開了序幕，晶體 管的發(fā)明奠定了現(xiàn)代電子技術(shù)的基礎(chǔ)，管的發(fā)明奠定了現(xiàn)代電子技術(shù)的基礎(chǔ)， 揭開了微電子技術(shù)和信息化的序幕，開揭開了微

4、電子技術(shù)和信息化的序幕，開 創(chuàng)了人類的硅文明時代。創(chuàng)了人類的硅文明時代。 大約在大約在19561956年，英國的德馬就從晶體管原理預(yù)想到了年，英國的德馬就從晶體管原理預(yù)想到了 集成電路的出現(xiàn)。集成電路的出現(xiàn)。 19581958年美國提出了用半導(dǎo)體制作全部電路元器件實(shí)現(xiàn)年美國提出了用半導(dǎo)體制作全部電路元器件實(shí)現(xiàn) 集成電路化方案。當(dāng)年，美國德州儀器公司的基爾比在集成電路化方案。當(dāng)年，美國德州儀器公司的基爾比在 研究微型組件時，為實(shí)現(xiàn)電路的微型化，提出了用同一研究微型組件時，為實(shí)現(xiàn)電路的微型化，提出了用同一 種材料做出電子元器件的設(shè)想，并在一個玻璃板上焊接種材料做出電子元器件的設(shè)想，并在一個玻璃板上

5、焊接 鍺晶體管芯片等元件，成功地研究出了微小型鍺振蕩器，鍺晶體管芯片等元件，成功地研究出了微小型鍺振蕩器， 這就是世界第一塊集成電路。這就是世界第一塊集成電路。 1961 1961年，開始批量生產(chǎn)集成電路。年，開始批量生產(chǎn)集成電路。 1.2.4 1.2.4 集成電路集成電路 集成電路示例見圖集成電路示例見圖1-361-36。 (a)第一塊集成電路 (b)集成電路芯片顯微照片 (c)各種封裝好的集成電路 圖圖 1-36 1-36 集成電路示例集成電路示例 1.2.4 1.2.4 集成電路集成電路 集成電路具有可靠性高的優(yōu)點(diǎn)。集成電路具有可靠性高的優(yōu)點(diǎn)。 集成電路的發(fā)明，是電子產(chǎn)品工藝技術(shù)的一次集

6、成電路的發(fā)明，是電子產(chǎn)品工藝技術(shù)的一次 革命，進(jìn)一步減小了電子設(shè)備的體積，由此，它革命，進(jìn)一步減小了電子設(shè)備的體積，由此，它 們變得更輕、更小。們變得更輕、更小。 1.2.4 1.2.4 集成電路集成電路 隨著社會的不斷進(jìn)步，人類在科學(xué)與技術(shù)領(lǐng)隨著社會的不斷進(jìn)步，人類在科學(xué)與技術(shù)領(lǐng) 域取得的一系列重大突破，人類通信技術(shù)的力量域取得的一系列重大突破，人類通信技術(shù)的力量 如沉睡的巨龍，破殼而出，在近如沉睡的巨龍，破殼而出，在近100100多年的時間多年的時間 里取得了前所未有的進(jìn)步，對人類的生活方式和里取得了前所未有的進(jìn)步，對人類的生活方式和 生活質(zhì)量產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。生活質(zhì)量產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。

7、1.3 1.3 近代通信技術(shù)發(fā)展近代通信技術(shù)發(fā)展 信鴿 吶喊狼煙驛站 法羅斯燈塔復(fù)原圖 驛使壁畫 圖圖1-37 1-37 早期消息傳播形式早期消息傳播形式 1.3.1 1.3.1 早期通信方式早期通信方式 圖圖1-38 1-38 美國發(fā)明家莫爾斯美國發(fā)明家莫爾斯 圖圖1-391-39莫爾斯電碼莫爾斯電碼 1.3.2 1.3.2 近代通信方式近代通信方式 圖圖1-431-43電話的實(shí)驗(yàn)裝置電話的實(shí)驗(yàn)裝置 圖圖 1-44 18921-44 1892年，貝爾在紐約年，貝爾在紐約 至芝加哥的電話線路開通儀式上至芝加哥的電話線路開通儀式上 1.3.2 1.3.2 近代通信方式近代通信方式 3)3)電磁波

8、的特性電磁波的特性 電磁波是能量的一種，凡是高于絕對零度的物體，都電磁波是能量的一種，凡是高于絕對零度的物體，都 會釋出電磁波。會釋出電磁波。 變化的電場和變化的磁場相互聯(lián)系，形成一個不可分變化的電場和變化的磁場相互聯(lián)系，形成一個不可分 割的統(tǒng)一體割的統(tǒng)一體電磁場。電磁場。 電場和磁場只是電磁場這個統(tǒng)一體的兩種具體表現(xiàn)形電場和磁場只是電磁場這個統(tǒng)一體的兩種具體表現(xiàn)形 式。式。 根據(jù)麥克斯韋電磁場理論，電場和磁場將相互激發(fā)根據(jù)麥克斯韋電磁場理論，電場和磁場將相互激發(fā), ,由由 近及遠(yuǎn)向周圍空間傳播出去，形成電磁波（圖近及遠(yuǎn)向周圍空間傳播出去，形成電磁波（圖1-251-25）。）。 1.3.2 1

9、.3.2 近代通信方式近代通信方式 無線電報為人類通信技術(shù)開辟了一個嶄新的無線電報為人類通信技術(shù)開辟了一個嶄新的 領(lǐng)域。領(lǐng)域。18951895年，馬可尼發(fā)明無線電設(shè)備（圖年，馬可尼發(fā)明無線電設(shè)備（圖1-481-48） 開創(chuàng)了無線電通信發(fā)展的道路。開創(chuàng)了無線電通信發(fā)展的道路。 圖圖1-48 1-48 馬克尼發(fā)明無線電報器馬克尼發(fā)明無線電報器 1.3.2 1.3.2 近代通信方式近代通信方式 發(fā)射接收 圖圖1-50 1-50 無線電廣播的工作過程無線電廣播的工作過程 1.3.2 1.3.2 近代通信方式近代通信方式 電視圖像信號的傳輸過程首先由攝像機(jī)將圖像變電視圖像信號的傳輸過程首先由攝像機(jī)將圖像

10、變 成電信號，加到高頻載波上，由天線發(fā)射；接收成電信號，加到高頻載波上，由天線發(fā)射；接收 端電視機(jī)利用天線將調(diào)制信號接收下來，通過解端電視機(jī)利用天線將調(diào)制信號接收下來，通過解 調(diào)由顯像管還原成圖像。調(diào)由顯像管還原成圖像。 圖圖 1-53 1-53 電視信號的傳輸過程電視信號的傳輸過程 1.3.2 1.3.2 近代通信方式近代通信方式 中國古代發(fā)明的算盤被認(rèn)為是計算機(jī)的鼻祖，在大約六、中國古代發(fā)明的算盤被認(rèn)為是計算機(jī)的鼻祖，在大約六、 七百年前，中國人開始用算盤處理數(shù)據(jù)計算問題；七百年前，中國人開始用算盤處理數(shù)據(jù)計算問題； 在十七世紀(jì)，人們先后發(fā)明了各種可處理簡單數(shù)值計算在十七世紀(jì)，人們先后發(fā)明

11、了各種可處理簡單數(shù)值計算 的機(jī)械計算機(jī)；的機(jī)械計算機(jī)； 1946 1946 年年John W.Mauchly John W.Mauchly 和和J.Presper EckertJ.Presper Eckert領(lǐng)導(dǎo)完領(lǐng)導(dǎo)完 成了世界上第一臺數(shù)字電子計算機(jī)成了世界上第一臺數(shù)字電子計算機(jī)ENIAC(Electronic ENIAC(Electronic Numerical Integrator And Computer)Numerical Integrator And Computer)，開創(chuàng)了人類的，開創(chuàng)了人類的 電子計算機(jī)時代。電子計算機(jī)時代。 1.4 1.4 計算機(jī)的發(fā)展計算機(jī)的發(fā)展 1.4.

12、2 1.4.2 電子計算機(jī)誕生電子計算機(jī)誕生 19381938年，德國科學(xué)家年，德國科學(xué)家ZuseZuse制造出制造出Z-1Z-1計算機(jī)，這是第計算機(jī)，這是第 一臺采用二進(jìn)制的計算機(jī)。一臺采用二進(jìn)制的計算機(jī)。 19431943年，英國科學(xué)家研制成功第一臺年，英國科學(xué)家研制成功第一臺“巨人巨人”計算機(jī)，計算機(jī)， 專門用于破譯德軍密碼。專門用于破譯德軍密碼。 19441944年，霍華德年，霍華德艾肯（艾肯（Howard AikenHoward Aiken）等研制出了）等研制出了 機(jī)電式自動順序控制計算機(jī)機(jī)電式自動順序控制計算機(jī)MARK IMARK I，這是世界上最早的，這是世界上最早的 通用型自動

13、機(jī)電式計算機(jī)之一，通用型自動機(jī)電式計算機(jī)之一， 19461946年年2 2月月1515日，世界上第一臺通用數(shù)字電子計算機(jī)日，世界上第一臺通用數(shù)字電子計算機(jī) ENIACENIAC研制成功。研制成功。 第一代第一代(1946-1956)(1946-1956)電子計算器都以真空管為主要組件，運(yùn)電子計算器都以真空管為主要組件，運(yùn) 算速度已達(dá)到每秒幾萬次。算速度已達(dá)到每秒幾萬次。 1.4.2 1.4.2 電子計算機(jī)誕生電子計算機(jī)誕生 (a)形計算機(jī) (b)“巨人”（Colossus (c) MARK-I (d)ENIAC 圖圖1-54 1-54 電子計算機(jī)的演進(jìn)電子計算機(jī)的演進(jìn) 1.4.3 1.4.3

14、晶體管計算機(jī)的發(fā)展晶體管計算機(jī)的發(fā)展 19481948年，晶體管的發(fā)明大大促進(jìn)了計算機(jī)的發(fā)展，年，晶體管的發(fā)明大大促進(jìn)了計算機(jī)的發(fā)展， 19561956年，晶體管在計算機(jī)中使用，晶體管和磁芯存儲年，晶體管在計算機(jī)中使用，晶體管和磁芯存儲 器導(dǎo)致了第二代計算機(jī)（器導(dǎo)致了第二代計算機(jī)（1959195919651965年）的產(chǎn)生。年）的產(chǎn)生。 第二代計算機(jī)體積小、速度快、功耗低、性能更穩(wěn)定。第二代計算機(jī)體積小、速度快、功耗低、性能更穩(wěn)定。 19551955年，貝爾實(shí)驗(yàn)室研制出世界上第一臺全晶體管計年，貝爾實(shí)驗(yàn)室研制出世界上第一臺全晶體管計 算機(jī)算機(jī)TRADICTRADIC， 裝有裝有800800只晶

15、體管，僅只晶體管，僅100100瓦功率，占地也瓦功率，占地也 只有只有3 3立方英尺。立方英尺。 1.4.3 1.4.3 晶體管計算機(jī)的發(fā)展晶體管計算機(jī)的發(fā)展 圖圖1-571-57第二代計算機(jī)第二代計算機(jī)TRADICTRADIC 1.4.4 1.4.4 集成電路為現(xiàn)代計算機(jī)鋪平道路集成電路為現(xiàn)代計算機(jī)鋪平道路 19581958年德州儀器的工程師年德州儀器的工程師Jack KilbyJack Kilby發(fā)明了集成電路發(fā)明了集成電路 (IC)(IC)。 19611961年美國德克薩斯儀器公司與美國軍方合作，研制年美國德克薩斯儀器公司與美國軍方合作，研制 出第一臺試驗(yàn)型半導(dǎo)體集成電路作為主要電子器件

16、的集出第一臺試驗(yàn)型半導(dǎo)體集成電路作為主要電子器件的集 成電路電子計算機(jī)。成電路電子計算機(jī)。19641964年年IBMIBM生產(chǎn)出了由混合集成電路生產(chǎn)出了由混合集成電路 制成的制成的IBM 350IBM 350系統(tǒng)，這成為第三代計算機(jī)（系統(tǒng)，這成為第三代計算機(jī)（1965196519711971） 的主要里程碑。的主要里程碑。 19641964年，美國年，美國IBMIBM公司研制成功第一個采用集成電路的公司研制成功第一個采用集成電路的 通用電子計算機(jī)系列通用電子計算機(jī)系列IBM360IBM360系統(tǒng)。系統(tǒng)。 圖圖1-62 IBM3601-62 IBM360 1.4.4 1.4.4 集成電路為現(xiàn)代計

17、算機(jī)鋪平道路集成電路為現(xiàn)代計算機(jī)鋪平道路 1.4.5 1.4.5 當(dāng)代計算機(jī)漸入輝煌當(dāng)代計算機(jī)漸入輝煌 19711971年美國年美國IntelIntel公司生產(chǎn)了第一塊單片公司生產(chǎn)了第一塊單片 微處理器微處理器Intel4004Intel4004，同時，同時INTERINTER公司用其公司用其 組成了世界上第一臺微機(jī)組成了世界上第一臺微機(jī)MSC-MSC-，這標(biāo)志，這標(biāo)志 第四代計算機(jī)的產(chǎn)生。中央處理器第四代計算機(jī)的產(chǎn)生。中央處理器CPUCPU高度高度 集成是這一代微機(jī)的主要特征。集成是這一代微機(jī)的主要特征。 o 為適應(yīng)未來社會信息化的要求為適應(yīng)未來社會信息化的要求, , 科學(xué)家科學(xué)家 們提出了

18、第五代計算機(jī)。第五代電子計們提出了第五代計算機(jī)。第五代電子計 算機(jī)是智能電子計算機(jī)，它是一種有知算機(jī)是智能電子計算機(jī)，它是一種有知 識，會學(xué)習(xí)，能推理的計算機(jī)。突破了識，會學(xué)習(xí)，能推理的計算機(jī)。突破了 傳統(tǒng)的諾伊曼式機(jī)器的概念，舍棄了二傳統(tǒng)的諾伊曼式機(jī)器的概念，舍棄了二 進(jìn)制結(jié)構(gòu)，把許多處理機(jī)并聯(lián)起來，并進(jìn)制結(jié)構(gòu)，把許多處理機(jī)并聯(lián)起來，并 行處理信息，速度大大提高。行處理信息，速度大大提高。 1.5自動控制理論的發(fā)展自動控制理論的發(fā)展 o 1.5.1 經(jīng)典(自動)控制理論 1.萌芽階段萌芽階段 古代人類在長期生產(chǎn)和生活中，為了減古代人類在長期生產(chǎn)和生活中，為了減 輕自己的勞動，逐漸產(chǎn)生利用自然界動力代輕自己的勞動，逐漸產(chǎn)生利用自然界動力代 替人力畜力，以及用自動裝置代替人的部分替人力畜力，以及用自動裝置代替人的部分 繁難的腦力活動的愿望，經(jīng)過漫長歲月的探繁難的腦力活動的愿望，經(jīng)過漫長歲月的探 索，他們互不相關(guān)地造出一些原始的自動裝索，他們互不相關(guān)地造出一些原始的自動裝 置置 1.5.3 控制理論幾個重要分支 o 大系統(tǒng)理論大系統(tǒng)理論 大系統(tǒng)控制理論是一種過程控制與信大系統(tǒng)控制理論是一種過程控制與信 息處理相結(jié)合的動態(tài)系統(tǒng)工程理論，研息處理相結(jié)合的動態(tài)系統(tǒng)工程理論，研 究的對象具有規(guī)模龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、功究的對象具有規(guī)模龐大、