應(yīng)用電子技術(shù)導論 第01講 應(yīng)用電子技術(shù)發(fā)展史稿

《應(yīng)用電子技術(shù)導論》第1篇應(yīng)用電子技術(shù)發(fā)展史主講教師：王震宇聯(lián)系方式：wzy2000@教學單位：信息學院電子工程系引子：

欲了解一門學科，最好的辦法是先讀讀它的歷史。發(fā)展史的主要內(nèi)容1.1經(jīng)典理論的主要成果1.2重要發(fā)明及其應(yīng)用1.3歷史的啟示1.1重要的經(jīng)典理論發(fā)現(xiàn)

1、早期的磁學研究

我國古代早就發(fā)現(xiàn)了磁現(xiàn)象。公元前2637年，黃帝利用磁制成了羅盤針，羅盤的發(fā)現(xiàn)是我國四大發(fā)明之一。據(jù)司馬遷記載，公元前9世紀，航海家已使用指南針導航了。1600年，(相差4227年)英國物理學家吉爾伯特經(jīng)過自己實驗得到了大量磁力現(xiàn)象，建立了重要的理論體系。他還證明了諾曼發(fā)現(xiàn)的磁傾角的存在。他曾預言在地球的北極，磁針將會變成豎直的，后來被赫德森在1609年所證實。他發(fā)現(xiàn)過兩極裝有鐵帽的磁石，磁力大大增加，并且發(fā)現(xiàn)磁石與鐵塊越靠近，吸引力越大，同時證明了磁石越大對鐵塊的吸引也越大。他還發(fā)現(xiàn)吸引是相互作用的。吉爾伯特被世人稱之為磁學之父。2、早期的電學研究1600年，德國科學家?guī)炖锟酥瞥闪说谝慌_產(chǎn)生靜電的裝置。1749年，(相差145年)美國科學家富蘭克林，他在電的研究方面作了大量實驗，他借用了數(shù)學上正負數(shù)的概念，第一個科學地用正電、負電概念表示電荷性質(zhì)。并提出了電荷不能創(chuàng)生、也不能消滅的思想，后人在此基礎(chǔ)上發(fā)現(xiàn)了電荷守恒定律。他最先提出了避雷針的設(shè)想，由此而制造的避雷針，避免了雷擊災(zāi)難，破除了迷信。

富蘭克林簡介

他出身貧寒，10歲便輟學做工，12歲起在印刷所當學徒、幫工．但他刻苦好學，因而，他以僅讀過兩年小學的學歷，被美國的哈佛大學、耶魯大學，英國的牛津大學、愛丁堡大學、圣安德魯大學等錄取，六七所大學授予碩士學位或博士學位。他是自學成才的典范。1785年(相差36年)法國人庫倫用自己發(fā)明的扭秤建立了靜電學中著名的庫侖定律。同年，他在給法國科學院的《電力定律》的論文中詳細地介紹了他的實驗裝置，測試通過得出實驗結(jié)果。1800年，(相差15年)意大利物理學家伏特(A.Volta,1745-1827)發(fā)明了第一種化學電源—銅鋅電池，它能夠把化學能不斷地轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽S持單一方向的電流持續(xù)流動。不久他就開始應(yīng)用他的理論制造各種有獨創(chuàng)性的儀器，這一發(fā)明具有時代的意義，引起了電磁學的一場革命。

伏特簡介伏特生于意大利科莫一個富有的天主教家庭里。伏特十六歲時開始與一些著名的電學家通信，其中有巴黎的諾萊和都靈的貝卡里亞。貝卡里亞是一位很有成就的國際知名的電學家，他勸告伏特少提出理論，多做實驗。事實上，伏特年青時期的理論思想遠不如他的實驗重要。隨著歲月的流逝，伏特對靜電的了解至少可以和當時最好的電學家媲美。3、電磁學的研究

1820年，(相差20年)丹麥物理學家奧斯特(H.C.Oerster,1777-1851.)通過實驗發(fā)現(xiàn)了電流對磁針的作用，即電流的磁效應(yīng)，同年7月21日以《關(guān)于磁針上，電沖突作用的實驗》這篇短短的論文使歐洲物理學界產(chǎn)生了極大震動，導致了大批實驗成果的出現(xiàn)，由此開辟了物理學的新領(lǐng)域──電磁學。打開了近代電磁學的突破口。1825年，(相差5年)法國科學家安培(H,M.Ampere,1775-1836)提出了著名的安培定律。他從1820年開始在測量電流的磁效應(yīng)中，發(fā)現(xiàn)兩個載流導線可以互相吸引，又可以互相排斥。這一發(fā)現(xiàn)成為研究電學的基本定律，為電動機的發(fā)明作了理論上的準備。生于里昂一個富商的家庭，1824年擔任法蘭西學院實驗物理學教授。1827年，當時德國的一位教師歐姆(G.S.Ohm,1787-1854)，1827年發(fā)表了《動力電路的數(shù)學研究》，提出了今天普遍應(yīng)用的歐姆定律，時年40歲。該定律揭示了電阻上電壓與電流的定量關(guān)系。歐姆的研究，主要是在1817～1827年擔任中學物理教師期間進行的！此外，他對幾何學(1817年，他的《幾何學教科書》一書出版)、聲學、儀器制造等方面都做出了重大貢獻。歐姆簡介1803年歐姆考入埃爾蘭根大學學習，后來由于家庭經(jīng)濟困難，于1806年他被迫退學。通過自學，他于1811年又重新回到愛爾蘭大學，順利地取得了博士學位。大學畢業(yè)后，歐姆靠教書維持生活。從1820年起，他開始研究電磁學。為了紀念他，人們把電阻的單位命名為歐姆。其定義是：在電路中兩點間，當通過1安培穩(wěn)恒電流時，如果這兩點間的電壓為1伏特，那么這兩點間導體的電阻便定義為1歐姆。

1831年8月26日終于，英國物理學家法拉第(M.Faraday,1791-1867)(相差6年)完成了電磁感應(yīng)定律的研究。該定律揭示了磁變生電的規(guī)律。這一發(fā)現(xiàn)成為發(fā)電機和變壓器的基本原理，從而使機械能變?yōu)殡娔艹蔀榭赡?，推動了電在工業(yè)上的廣泛應(yīng)用，使人類邁向了電氣時代。法拉第簡介法拉第生于薩里郡紐因頓的一個鐵匠家庭。13歲就在一家書店當送報和裝訂書籍的學徒。他有強烈的求知欲，擠出一切休息時間貪婪地力圖把他裝訂的一切書籍內(nèi)容都從頭讀一遍。讀后還工工整整地作讀書筆記；用一些簡單器皿照著書上進行實驗，仔細觀察和分析實驗結(jié)果，把自己的閣樓變成了小實驗室。他家境貧寒，未受過系統(tǒng)的正規(guī)教育，但卻在眾多領(lǐng)域中作出驚人成就，是英國著名物理學家、化學家。在化學、電化學、電磁學等領(lǐng)域都做出過杰出貢獻堪稱刻苦勤奮、探索真理、不計個人名利的典范，對于青少年富有教育意義。他的導師戴維(皇家學院實驗室主任)，世人卻知者甚少。法拉第名人名言1、希望你們年青的一代，也能象蠟燭為人照明那樣，有一分熱，發(fā)一分光，忠誠而腳踏實地地為人類偉大的事業(yè)貢獻自己的力量。2、一旦科學插上幻想的翅膀，它就能贏得勝利。3、拼命去爭取成功，但不要期望一定會成功。4、愛情既是友誼的代名詞，又是我們?yōu)楣餐氖聵I(yè)而奮斗的可靠保證，愛情是人生的良伴，你和心愛的女子同床共眠是因為共同的理想把兩顆心緊緊系在一起。4、電路理論及電磁場理論的研究

1847年，(相差16年)德國科學家基爾霍夫(G.R.Kirchhoff,1824-1887)1845年，在他還是一個21歲大學生的時候提出了著名的電流定律和電壓定律，這一年，他發(fā)表了第一篇論文，提出了穩(wěn)恒電路網(wǎng)絡(luò)中電流、電壓、電阻關(guān)系的兩條電路定律,即著名的基爾霍夫第一電路定律和基爾霍夫第二電路定律，解決了電器設(shè)計中電路方面的難題。后來又研究了電路中電的流動和分布，從而闡明了電路中兩點間的電勢差和靜電學的電勢這兩個物理量在量綱和單位上的一致。使基爾霍夫電路定律具有更廣泛的意義，這成為電路分析最基本的依據(jù)。直到現(xiàn)在，基爾霍夫電路定律仍舊是解決復雜電路問題的重要工具?；鶢柣舴虮环Q為“電路求解大師”。1864年，蘇格蘭科學家麥克斯韋(J.C.Maxwell,1831-1879)，1865年春(當時他32歲)，開始系統(tǒng)地總結(jié)他的關(guān)于電磁學的研究成果，完成了電磁場理論的經(jīng)典巨著《論電和磁》，并于1873年出版，提出一組關(guān)于電和磁共同遵守的數(shù)學方程，即麥克斯韋方程，他預言空間一定存在電磁波。1888年，(相差25年)德國物理學家赫茲(H.R.Hertz,1857-1894)赫茲對人類最偉大的貢獻是用實驗證實了電磁波的存在，即他經(jīng)過艱苦的反復實驗，證明麥克斯韋所預言的電磁波確實存在。圖1.1-1早期研究電磁理論的法拉第、麥克斯韋和赫茲1.2重要發(fā)明及其應(yīng)用1)1843年，畫家出身的美國人莫爾斯終于發(fā)明了電報，用他當時的電報機，可從華盛頓向40英里的巴爾的摩發(fā)出電文。在他研究之初，為了說服別人為他投資，他得到的回答常常是：“先生，用導線傳遞消息，你為啥不發(fā)明一個能飛向月球的火箭呢？”但莫爾斯的創(chuàng)造欲望經(jīng)過十多年的奮斗終于實現(xiàn)了。圖1.1-2莫爾斯和他早期的電報機2)1866年，德國工程師西門子，他是電動機、發(fā)電機、有軌電車和指南針式電報機的發(fā)明人，改進過海底電纜,提出平爐煉鋼法,革新了煉鋼工藝,西門子公司創(chuàng)始人。他發(fā)現(xiàn)了電動原理并用在發(fā)電機的改進上。由于電在各方面的應(yīng)用日益廣泛，如照明、電解電鍍、電力拖動等，迫切需要更方便地獲取電能，以提高效率、降低成本。1882-年，直流高壓輸電試驗成功。但由于直流高壓不便于用戶直接使用，同年在發(fā)明變壓器的基礎(chǔ)上又實現(xiàn)了遠距離交流高壓輸電。從此，電氣化時代開始了。3)1875年，美國科學家貝爾(A.G.Bell,1847-1922)發(fā)明了電話。貝爾當時僅是一名聾啞人學校的教師，經(jīng)過不斷改進，到1878年，他實現(xiàn)了從波士頓到紐約之間200mile(1mile=1.609344km=1760yard)的首次長途通話。貝爾曾經(jīng)把電話的話音比喻為歌聲，他說：“這歌聲是永不停止的，因為這是對生活故事的歌頌，而生活是永不停止的。那高懸的電話線正在把生與死、成功與失敗的消息傳遍全球?！?/p>

圖1.1-3貝爾和他早期的電話機4)1879年，美國的發(fā)明家愛迪生(T.A.Edison,1847-1931)，他一生只在學校里讀過三個月的書，但他勤奮好學，勤于思考，并發(fā)明了電燈、留聲機、電影攝影機等多種成果，為人類作出了重大的貢獻。是舉世聞名的美國電學家和發(fā)明家，被譽為“發(fā)明大王”。愛迪生一生共有約兩千項創(chuàng)造發(fā)明，為人類的文明和進步做出了巨大的貢獻。發(fā)明的電燈是鎢絲電燈。用電照亮了千家萬戶。

圖1.1-4愛迪生及他發(fā)明的電燈5)1894年，意大利的發(fā)明家馬可尼(G.Marconi,1874-1937)和俄國的波波夫分別發(fā)明了無線電發(fā)射和接受。沒有受過正規(guī)大學教育的20歲的馬可尼利用赫茲的火花振蕩器作為發(fā)射器，通過電鍵的開、閉產(chǎn)生斷續(xù)的電磁波信號。1895年他發(fā)射的信號傳送距離可達1公里以上，1897年發(fā)射的信號可在20km之外接收到，從此開始了無線電通信的時代。圖1.1-5馬可尼和他的無線電收發(fā)報機的原理圖6)英國科學家湯姆遜(J.Thomson,1856-1940)在1895-1897年間反復測試，證明了電子確實存在。隨后，英國科學家弗萊明(J.A.Fleming)在愛迪生發(fā)明的熱二極管的基礎(chǔ)上發(fā)明了實用的真空二極管。它具有單向?qū)щ娞匦裕苡脕碚骰驒z波。7)

1907年，美國人福斯特(L.D.Forest)發(fā)明了真空三極管。1925年，英國的貝爾德(J.L.Baird)首先發(fā)明電視。幾乎在同時，美國無線電公司(R.C.A)的工程師諾基(V.K.Zworykin)發(fā)明了電視顯像管。1933年，他利用真空二極管、真空三極管和顯像管，最早發(fā)明了電視機。1936年，黑白電視機就正式問世了。圖1.1是貝爾德等發(fā)明的早期電視。圖1.1-6貝爾德等發(fā)明早期電視9)1946年，美國數(shù)學家諾依曼(J.V.Noumann)為主設(shè)計了第一臺電子計算機，這是一個世界奇跡。這臺計算機是在美國賓西法尼亞大學莫爾電子工程學院研制成功。這臺計算機叫作艾尼亞克(ENIAC，ElectronicNumericalIntegratorAndCalculator)。它占地約165平方米，使用了18000只真空電子管，重30噸，每秒鐘可運算5000次。馮·諾依曼對人類的最大貢獻是對計算機科學、計算機技術(shù)和數(shù)值分析的開拓性工作。圖1.1-7第一臺計算機及其設(shè)計者

1948年起，固態(tài)電子學的時代向我們走來。1947年12月24日，貝爾實驗室的布拉?。╳alterBrattain）、巴?。↗ohnBardeem）和肖克利（WillinmShockley）發(fā)明了一種點接觸晶體管。這是一種全新的半導體器件，它體積小，電性能穩(wěn)定，功耗低。這項發(fā)明自從1948年公布于世起，很快就應(yīng)用于通信、電視、計算機等領(lǐng)域，促進了電氣和電子工程技術(shù)的飛速發(fā)展。圖1.1-8是電子管和晶體管的發(fā)明者。圖1.1-9是現(xiàn)在廣泛應(yīng)用的各種半導體器件。圖1.1-8二極電子管、三極電子管和晶體管的發(fā)明者圖1.1-9實際的半導體器件從20世紀50年代末期開始，科學又把人類帶入了微電子學時代。1958年，利用單晶硅材料，世界上第一片集成電路（IntegratedCircuit，IC）在美國德克薩斯州誕生了。1961年，福查德公司生產(chǎn)出了第一片商用IC。到20世紀60年代末，在大約四分之一英寸見方的小硅片上可以集成6800個晶體管和數(shù)千個其他元件。從20世紀70年代起，集成電路技術(shù)飛速發(fā)展，各種大規(guī)模集成電路（LargeIntegreatedCircuit）和超大規(guī)模集成電路（VeryLargeIntegreatedCircuit）層出不窮。由于集成電路成本低、尺寸小、可靠性高、電性能優(yōu)良等優(yōu)點并廣泛使用，從而引起了工業(yè)系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、計算機系統(tǒng)、測量系統(tǒng)、生物醫(yī)學系統(tǒng)的革命性發(fā)展。圖1.1-10為集成電路設(shè)計和集成電路器件。圖1.1-10集成電路的設(shè)計和若干集成電路器件黃帝26370

2000年19001700160018001000吉爾伯特無線電無線電計算機IC固態(tài)電路時代初始階段基礎(chǔ)階段電氣時代圖1.1-11電子科學的發(fā)展歷程中國計算機產(chǎn)業(yè)的發(fā)展

1956年(相差10年)，夏培肅完成了第一臺電子計算機運算器和控制器的設(shè)計工作，同時編寫了中國第一本電子計算機原理講義。1957年(相差11年)，哈爾濱工業(yè)大學研制成功中國第一臺模擬式電子計算機。1958年(相差12年)，中國第一臺計算機——103型通用數(shù)字電子計算機研制成功，運行速度每秒1500次。1959年，中國研制成功104型電子計算機，運算速度每秒1萬次。1960年，中國第一臺大型通用電子計算機——107型通用電子數(shù)字計算機研制成功。1963年，中國第一臺大型晶體管電子計算機——109機研制成功。1964年，441B全晶體管計算機研制成功。1965年，中國第一臺百萬次集成電路計算機"DJS－Ⅱ"型操作系統(tǒng)編制完成。1967年，新型晶體管大型通用數(shù)字計算機誕生。1969年，北京大學承接研制百萬次集成電路數(shù)字電子計算機——150機。1970年，中國第一臺具有多道程序分時操作系統(tǒng)和標準匯編語言的計算機——441B－Ⅲ型全晶體管計算機研制成功。1972年，每秒運算11萬次的大型集成電路通用數(shù)字電子計算機研制成功。1973年，中國第一臺百萬次集成電路電子計算機研制成功。1974年，DJS－130、131、132、135、140、152、153等13個機型先后研制成功。1976年，DJS－183、184、185、186、1804機研制成功。1977年，中國第一臺微型計算機DJS－050機研制成功。1979年，中國研制成功每秒運算500萬次的集成電路計算機——HDS－9，王選用中國第一臺激光照排機排出樣書。1981年，中國研制成功的260機平均運算速度達到每秒100萬次。1983年，"銀河Ⅰ號"巨型計算機研制成功，運算速度達每秒1億次。1984年，聯(lián)想集團的前身——新技術(shù)發(fā)展公司成立，中國出現(xiàn)第一次微機熱。1985年，華光Ⅱ型漢字激光照排系統(tǒng)投入生產(chǎn)性使用。1986年，中華學習機投入生產(chǎn)。1987年，第一臺國產(chǎn)的286微機——長城286正式推出。1988年，第一臺國產(chǎn)386微機——長城386推出，中國發(fā)現(xiàn)首例計算機病毒。1990年，中國首臺高智能計算機——EST/IS4260智能工作站誕生，長城486計算機問世。1991年，新華社、科技日報、經(jīng)濟日報正式啟用漢字激光照排系統(tǒng)。1992年，中國最大的漢字字符集——6萬電腦漢字字庫正式建立。1993年，中國第一臺10億次巨型銀河計算機Ⅱ型通過鑒定。1994年，銀河計算機Ⅱ型在國家氣象局投入正式運行，用于天氣中期預報。1995年，曙光1000大型機通過鑒定，其峰值可達每秒25億次。1996年，國產(chǎn)聯(lián)想電腦在國內(nèi)微機市場銷售量第一。1997年，銀河－Ⅲ并行巨型計算機研制成功。1998年，中國微機銷量達408萬臺，國產(chǎn)占有率高達71．9％。1999年，銀河四代巨型機研制成功。2000年，我國自行研制成功高性能計算機“神威I”，其主要技術(shù)指標和性能達到國際先進水平。我國成為繼美國、日本之后世界上第三個具備研制高性能計算機能力的國家。

人類的生產(chǎn)實踐和科學實驗是不斷發(fā)展的，永遠不會停止在一個水平上。1948年起，固態(tài)電子學的時代向我們走來。從20世紀50年代末期開始，科學又把人類帶入了微電子學時代。1958年，世界上第一片集成電路(IntegratedCircuit,IC)在美國德克薩斯州誕生了。1961年，福查德公司生產(chǎn)出了第一片商用IC。到20世紀60年代末，在大約四分之一英寸(1inch=2.54cm)見方(約6.1平方厘米)的小硅片上可以集成6800個晶體管和數(shù)千個其他元件。

超大規(guī)模集成電路(VLSI)。例如80386微處理器，在面積約為10mmX10mm的單個芯片上，可以集成大約32萬個晶體管。1.3歷史的啟示1)實踐是科學和技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)和唯一檢驗標準，實踐出真知。2)認識論的規(guī)律：實踐—理論—實踐。3)敢為天下先。不妄自菲薄。4