電子信息技術(shù)發(fā)展史

第一章電子信息技術(shù)發(fā)展史1.1電的發(fā)現(xiàn)與發(fā)展電的發(fā)現(xiàn)電的效應(yīng)歐姆定律實(shí)驗(yàn)電磁波的發(fā)現(xiàn)電的發(fā)現(xiàn)1）摩擦起電

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“電”一詞在西方是從希臘文琥珀一詞轉(zhuǎn)意而來(lái)的，是能量的一種形式，它包括了許多種由于電荷的存在或移動(dòng)而產(chǎn)生的現(xiàn)象，自然界的閃電就是其中一種。

●18世紀(jì)后期電學(xué)的另一個(gè)重要的發(fā)展是意大利物理學(xué)家伏打（圖1-8）發(fā)明了電池，在這之前，電學(xué)實(shí)驗(yàn)只能用摩擦起電機(jī)的萊頓瓶進(jìn)行，而它們只能提供短暫的電流。圖1-8意大利物理學(xué)家伏打

電的發(fā)現(xiàn)富蘭克林風(fēng)箏實(shí)驗(yàn)●1746年，英國(guó)倫敦一名叫柯林森的物理學(xué)家，通過(guò)郵寄向美國(guó)費(fèi)城的本杰明.富蘭克林贈(zèng)送了一只萊頓瓶，并在信中向他介紹了使用方法，這直接導(dǎo)致了1752年富蘭克林著名的費(fèi)城實(shí)驗(yàn)。電的發(fā)現(xiàn)圖1-10富蘭克林的風(fēng)箏實(shí)驗(yàn)

●他做了一個(gè)把風(fēng)箏放到雷雨云里去的實(shí)驗(yàn)。他用金屬絲把一個(gè)很大的風(fēng)箏放到云層里去，金屬絲的下端接了一段繩子，另外金屬絲上還掛了一串鑰匙。當(dāng)時(shí)富蘭克林一手拉住繩子，用另一手輕輕觸及鑰匙。于是他立即感到一陣猛烈的沖擊（電擊），同時(shí)還看到手指和鑰匙之間產(chǎn)生了小火花（圖1-10）。電的發(fā)現(xiàn)●這個(gè)實(shí)驗(yàn)表明：被雨水濕透了的風(fēng)箏的金屬線變成了導(dǎo)體，把空中閃電的電荷引到手指與鑰匙之間，這在當(dāng)時(shí)是一件轟動(dòng)一時(shí)的大事?！窀惶m克林在美國(guó)費(fèi)城的實(shí)驗(yàn)驚動(dòng)了教會(huì)，他們斥責(zé)他冒犯天威，是對(duì)上帝和雷公的大逆不道。然而，他仍然堅(jiān)持不懈，而且在一年后制造出世界上第一個(gè)避雷針，終于制服了天電。富蘭克林的這個(gè)實(shí)驗(yàn)，不僅在美國(guó)有很大的影響，而且影響到世界其他國(guó)家。

電的發(fā)現(xiàn)1）奧斯特電流磁效應(yīng)●奧斯特（圖1-11）根據(jù)已發(fā)現(xiàn)一些電可能會(huì)發(fā)生磁的跡象，堅(jiān)信電磁間有聯(lián)系，并開(kāi)展電是否能產(chǎn)生磁的研究?！?820年4月的一天，奧斯特在一次講演快結(jié)束的時(shí)候，抱著試試看的心情又做了一次實(shí)驗(yàn)。他把一條非常細(xì)的鉑導(dǎo)線放在一根用玻璃罩罩著的小磁針上方，接通電源的瞬間，發(fā)現(xiàn)磁針跳動(dòng)了一下（圖1-12）。這一跳使有心的奧斯特喜出望外，竟激動(dòng)得在講臺(tái)上摔了一跤。電的效應(yīng)圖1-11丹麥物理學(xué)家?jiàn)W斯持

圖1-12電流磁效應(yīng)

電的效應(yīng)●以后的兩個(gè)月里，奧斯特閉門(mén)不出，設(shè)計(jì)了幾十個(gè)不同的實(shí)驗(yàn)，都證實(shí)了通電導(dǎo)線周圍存在磁場(chǎng)?！裢?月，奧斯特發(fā)表了《關(guān)于磁體周圍電沖突的實(shí)驗(yàn)》論文，向?qū)W術(shù)界宣布了電流的磁效應(yīng)，整個(gè)物理學(xué)界都震動(dòng)了。

電的效應(yīng)法拉第電磁感應(yīng)●法拉第（圖1-17）經(jīng)過(guò)近10年的努力，于1831年發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)現(xiàn)象。他把磁產(chǎn)生電的現(xiàn)象稱為“電磁感應(yīng)”，并且概括了可以產(chǎn)生感應(yīng)電流的幾種途徑：電流變化、磁場(chǎng)變化、流過(guò)恒定電流的導(dǎo)線空間位置變化、磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)以及使導(dǎo)體在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)。圖1-17英國(guó)著名物理學(xué)家、化學(xué)家法拉第電的效應(yīng)●這里的關(guān)鍵技術(shù)是：產(chǎn)生感應(yīng)電流的回路都是處在一個(gè)變化的磁場(chǎng)中，一旦磁場(chǎng)變化停止，感應(yīng)電流就消失（圖1-18）。

圖1-18產(chǎn)生感應(yīng)電流

電的效應(yīng)●1852年5月，德國(guó)物理學(xué)家歐姆（圖1-21）研究探討了電流產(chǎn)生的電磁力的衰減與導(dǎo)線長(zhǎng)度的關(guān)系，其結(jié)果在他的第一篇科學(xué)論文中發(fā)表，在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，他碰到了測(cè)量電流強(qiáng)度的困難。圖1-21德國(guó)物理學(xué)家歐姆

歐姆定理實(shí)驗(yàn)●在德國(guó)科學(xué)家施威格發(fā)明的檢流計(jì)啟發(fā)下，他把奧斯特關(guān)于電流磁效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)和庫(kù)侖扭秤方法巧妙地結(jié)合起來(lái)，設(shè)計(jì)了一個(gè)電流扭力秤，用它測(cè)量電流強(qiáng)度。

●歐姆從初步的實(shí)驗(yàn)中證實(shí)，電流的電磁力與導(dǎo)體的長(zhǎng)度有關(guān)。隨后，在試驗(yàn)中改變電路上的電動(dòng)勢(shì)中，他發(fā)現(xiàn)：電荷在導(dǎo)體中流動(dòng)遵從一種十分簡(jiǎn)單的規(guī)律：電流和電壓成正比。歐姆定理實(shí)驗(yàn)●電壓和電流之間的比例系數(shù)稱作電阻，它表示導(dǎo)體對(duì)電荷流動(dòng)所呈現(xiàn)的“阻力”（圖1-22），電動(dòng)勢(shì)與電阻之間的依存關(guān)系，就是歐姆定律。

I=U/R

圖1-22歐姆定理實(shí)驗(yàn)電路圖

歐姆定理實(shí)驗(yàn)1）麥克斯韋方程組麥克斯韋（圖1-23）通過(guò)對(duì)前人的發(fā)現(xiàn)和成果加以總結(jié)和升華以及結(jié)合位移電流概念的引入，創(chuàng)造性地提出了變化電場(chǎng)可在周圍激發(fā)磁場(chǎng)的假設(shè)，把物理與數(shù)學(xué)緊密結(jié)合,利用類比方法建立了描寫(xiě)電磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)規(guī)律的麥克斯韋方程組（圖1-24）。電磁波的發(fā)現(xiàn)圖1-23英國(guó)物理學(xué)家家麥克斯韋

圖1-24麥克斯韋方程組電磁波的發(fā)現(xiàn)由麥克斯韋方程組出發(fā)，根據(jù)交變的電場(chǎng)（或磁場(chǎng)）可在周圍產(chǎn)生交變磁場(chǎng)（或電場(chǎng)），預(yù)言了電磁波。

他認(rèn)為這種交變電磁場(chǎng)可不斷由振源向遠(yuǎn)處傳播開(kāi)來(lái)，電磁振蕩在空間的傳播就形成了電磁波（圖1-25）。電磁波的發(fā)現(xiàn)(a)電磁波的形成和發(fā)展(b)沿X方向傳播的簡(jiǎn)諧平面電磁波圖1-25電磁波

電磁波的發(fā)現(xiàn)麥克斯韋的電磁理論首次綜合和發(fā)展了前人工作,給出了一個(gè)描寫(xiě)〝電磁場(chǎng)〞運(yùn)動(dòng)的完美的統(tǒng)一方程；充分反映了電場(chǎng)與磁場(chǎng)以及時(shí)間空間的對(duì)稱性；數(shù)學(xué)形式簡(jiǎn)單優(yōu)美,充分體現(xiàn)了物理學(xué)的〝美〞以及數(shù)學(xué)的重要性；更重要的是科學(xué)家正是利用數(shù)學(xué)方法從龐雜的經(jīng)驗(yàn)事實(shí)中找出自然界普遍的高于感性經(jīng)驗(yàn)的客觀規(guī)律來(lái)。電磁波的發(fā)現(xiàn)2）赫茲實(shí)驗(yàn)1873年，德國(guó)物理學(xué)家赫茲(圖1-26)用試驗(yàn)第一次證明了電磁波的存在。他自制了一個(gè)能夠產(chǎn)生電磁振蕩的儀器，產(chǎn)生出電磁波，在離它三公尺的地方，赫茲用一個(gè)簡(jiǎn)單的接受器接受到了這臺(tái)儀器發(fā)出的電磁波。圖1-27是赫茲試驗(yàn)驗(yàn)證原理圖。

電磁波的發(fā)現(xiàn)圖1-26德國(guó)物理學(xué)家赫茲

圖1-27赫茲實(shí)驗(yàn)

電磁波的發(fā)現(xiàn)赫茲在實(shí)驗(yàn)時(shí)曾指出，電磁波可以被反射、折射和如同可見(jiàn)光、熱波一樣的被偏振。由他的振蕩器所發(fā)出的電磁波是平面偏振波，其電場(chǎng)平行于振蕩器的導(dǎo)線，而磁場(chǎng)垂直于電場(chǎng)，且兩者均垂直傳播方向。電磁波的發(fā)現(xiàn)1889年在一次著名的演說(shuō)中，赫茲明確的指出，光是一種電磁現(xiàn)象。此外，赫茲還發(fā)現(xiàn)電磁波可以毫無(wú)困難地通過(guò)墻壁，不過(guò)它能被大金屬擋??；鏡子可以反射電磁波。赫茲還測(cè)出電磁波的波長(zhǎng)，由此計(jì)算出電磁波的傳播速度，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，電磁波的傳播速度和光速完全相同?！竦谝淮我噪姶挪▊鬟f信息是1896年意大利馬可尼開(kāi)始的?！?901年，馬可尼又成功的將訊號(hào)送到大西洋彼岸的美國(guó)?！?0世紀(jì)無(wú)線電通訊更有了異常驚人的發(fā)展。

電磁波的發(fā)現(xiàn)赫茲實(shí)驗(yàn)不僅證實(shí)麥克斯韋的電磁理論，更為無(wú)線電、電視和雷達(dá)的發(fā)展找到了途徑。電的真正魅力在于，它為人類提供了一種傳輸和控制能量最理想的方式，使人類獲得了一種以光速傳輸信息的載體。

1.2電子線路元件的發(fā)展電子的發(fā)現(xiàn)電子管晶體管集成電路電子的發(fā)現(xiàn)●電子的發(fā)現(xiàn)過(guò)程，始于人們對(duì)氣體放電的研究。當(dāng)氣體放電發(fā)生時(shí)，電子很容易脫離原子的束縛呈現(xiàn)許多新奇現(xiàn)象。它們引導(dǎo)科學(xué)家探尋隱藏其中的奧秘，從而找到電子；

應(yīng)用電子的構(gòu)想，源于白熾燈的發(fā)明。白熾燈灼熱的燈絲，不僅持續(xù)地發(fā)出明亮的光，并源源不斷地發(fā)射電子；這些電子在沒(méi)有空氣的環(huán)境里能夠自由地飛行，借助電和磁的作用，人們可以控制它們的運(yùn)動(dòng)，這成為各類電子技術(shù)發(fā)明共同的基礎(chǔ)。●1897年，英國(guó)科學(xué)家湯姆孫（如圖1-28）對(duì)陰極射線進(jìn)行更加精確的實(shí)驗(yàn)研究時(shí)發(fā)現(xiàn)，陰極射線是一種帶負(fù)電的微粒，與氣體成分或陰極材料無(wú)關(guān)，它存在于一切物質(zhì)之中。電子的發(fā)現(xiàn)湯姆孫用“電子”一詞命名他確認(rèn)的這種帶電微粒，圖1-29就是湯姆孫的原子模型?？茖W(xué)史家將人類發(fā)現(xiàn)電子的時(shí)間定為1897年。

圖1-28英國(guó)科學(xué)家湯姆孫

圖1-29湯姆孫的原子模型

電子的發(fā)現(xiàn)●電子是一種基本粒子，目前無(wú)法再分解為更小的物質(zhì)。其直徑是質(zhì)子的0.001倍，重量為質(zhì)子的1/1836。●電子圍繞原子的核做高速運(yùn)動(dòng)。電子通常排列在各個(gè)能量層上。當(dāng)原子互相結(jié)合成為分子時(shí)，在最外層的電子便會(huì)由一原子移至另一原子或成為彼此共享的電子。●在湯姆孫的原子模型中，原子是一個(gè)球體；正電核均勻分布在整個(gè)球內(nèi)，而電子鑲嵌在原子里面。

電子的發(fā)現(xiàn)●1904年，英國(guó)工程師弗萊明(圖1-30)發(fā)明了人類第一只電子管,電子管的誕生，是人類電子文明的起點(diǎn)。弗萊明真空二極管的發(fā)明得益于愛(ài)迪生發(fā)現(xiàn)的“愛(ài)迪生效應(yīng)”。電子管弗萊明采用在真空中利用電流加熱燈絲的方法，輕而易舉地獲得逸出物體的自由電子，并用它做成了一種效率很高的無(wú)線電信號(hào)檢測(cè)器------真空二極管（如圖1-31）。真空二極管可使頻率很高的無(wú)線電信號(hào)被整流檢波成為人們需要的信息。圖1-30英國(guó)工程師弗萊明

圖1-31真空電子二極管（1904年）

電子管圖1-32美國(guó)發(fā)明家德福雷斯特

圖1-33真空三極管

電子管●真空三極管的發(fā)明，使無(wú)線廣播迅速成為一種大眾傳媒，收音機(jī)成為一種時(shí)尚家電?！窭谜婵杖龢O管，可以產(chǎn)生功率強(qiáng)大的高頻無(wú)線電信號(hào)，同時(shí)使聲音變成的電信號(hào)疊加在上面，向幅員遼闊的地域播送語(yǔ)音信息。電子管無(wú)線電電子學(xué)技術(shù)開(kāi)始跨出通信系統(tǒng)，進(jìn)入人類活動(dòng)的更多領(lǐng)域。作為電子學(xué)裝置的核心器件，真空三極管一直推動(dòng)著電子技術(shù)前進(jìn)，直到1947年，三位美國(guó)科學(xué)家發(fā)明晶體管，它才逐漸退出歷史舞臺(tái)。電子管●為了克服電子管的局限性，第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束后，貝爾實(shí)驗(yàn)室加緊了對(duì)固體電子器件的基礎(chǔ)研究。肖克萊等人決定集中研究硅、鍺等半導(dǎo)體材料，探討用半導(dǎo)體材料制作放大器件的可能性。

晶體管圖1-34晶體管的三位發(fā)明人：巴丁、肖克萊、布拉頓

晶體管1947年12月，這個(gè)世界上最早的實(shí)用半導(dǎo)體器件終于問(wèn)世了（圖1-35），在首次試驗(yàn)時(shí)，它能把音頻信號(hào)放大100倍，它的外形比火柴棍短，但要粗一些。圖1-35晶體管的早期模式和第一個(gè)晶體管

晶體管晶體管的發(fā)明是20世紀(jì)最偉大的發(fā)明，它為集成電路的出現(xiàn)拉開(kāi)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)，揭開(kāi)了微電子技術(shù)和信息化的序幕，開(kāi)創(chuàng)了人類的硅文明時(shí)代?！翊蠹s在1956年，英國(guó)的德馬就從晶體管原理預(yù)想到了集成電路的出現(xiàn)?！?958年美國(guó)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(guó)德州儀器公司的基爾比在研究微型組件時(shí)，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(gè)玻璃板上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，這就是世界第一塊集成電路?！?961年，開(kāi)始批量生產(chǎn)集成電路。集成電路集成電路示例見(jiàn)圖1-36。(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1-36集成電路示例

集成電路●集成電路并不是一個(gè)一個(gè)的電路元器件連接成的電路，而是把具有某種功能的電路“埋”在半導(dǎo)體晶體管里的一種器件。它易于小型化和減少引線端，所以具有可靠性高的優(yōu)點(diǎn)?！窦呻娐返陌l(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，它們變得更輕、更小。集成電路●由于不同的電子元件大部分可以在同一塊硅片上制造，相互緊密連接在一起，因而減少了元件失效和引線斷裂的可能性，提高了電子設(shè)備的可靠性，也降低了電子產(chǎn)品制造的成本?！駷槌浞煮w現(xiàn)集成電路的優(yōu)越性，人們競(jìng)相改進(jìn)工藝，努力在同樣尺寸的硅片上制造越來(lái)越多的電子元件。

集成電路a).20世紀(jì)60年代初期，人們只能制做一塊硅片包含幾十個(gè)元件的小規(guī)模集成電路；b).20世紀(jì)70年代后期，人們已經(jīng)能夠在面積30平方毫米的一塊硅片上集成13萬(wàn)個(gè)晶體管；集成電路c).20世紀(jì)90年代以來(lái)，超大規(guī)模集成電路技術(shù)迅速發(fā)展，人們已經(jīng)能在一塊指甲蓋大小的硅片上制做包含500萬(wàn)個(gè)晶體管的集成電路。集成電路的發(fā)明導(dǎo)致了電子技術(shù)發(fā)展的飛躍，使電子技術(shù)進(jìn)入了微電子技術(shù)的新階段。1.3近代通信技術(shù)發(fā)展早期通信方式近代通信方式

隨著社會(huì)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)的力量如沉睡的巨龍，破殼而出，在近100多年的時(shí)間里取得了前所未有的進(jìn)步，對(duì)人類的生活方式和生活質(zhì)量產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。1.3近代通信技術(shù)發(fā)展●根據(jù)麥克斯韋電磁場(chǎng)理論，電場(chǎng)和磁場(chǎng)將相互激發(fā),由近及遠(yuǎn)向周圍空間傳播出去，形成電磁波（圖1-25）。圖1-27赫茲實(shí)驗(yàn)(a)銅漏壺(b)三級(jí)漏壺并于1939年和其同事研制出第一臺(tái)數(shù)字計(jì)算機(jī)的模型。富蘭克林的這個(gè)實(shí)驗(yàn)，不僅在美國(guó)有很大的影響，而且影響到世界其他國(guó)家。2）阿塔納索夫（計(jì)算機(jī)三原則）智能控制技術(shù)是近年來(lái)新發(fā)展起來(lái)的一種控制技術(shù)，是人工智能在控制上的應(yīng)用。圖1-32美國(guó)發(fā)明家德福雷斯特更重要的是科學(xué)家正是利用數(shù)學(xué)方法從龐雜的經(jīng)驗(yàn)事實(shí)中找出自然界普遍的高于感性經(jīng)驗(yàn)的客觀規(guī)律來(lái)。●在德國(guó)科學(xué)家施威格發(fā)明的檢流計(jì)啟發(fā)下，他把奧斯特關(guān)于電流磁效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)和庫(kù)侖扭秤方法巧妙地結(jié)合起來(lái)，設(shè)計(jì)了一個(gè)電流扭力秤，用它測(cè)量電流強(qiáng)度。集成電路為現(xiàn)代計(jì)算機(jī)鋪平道路馮·諾依曼和同事們依據(jù)此原理設(shè)計(jì)出了一個(gè)完整的現(xiàn)代計(jì)算機(jī)雛形，并確定了存儲(chǔ)程序計(jì)算機(jī)的五大組成部分和基本工作方法。湯姆孫用“電子”一詞命名他確認(rèn)的這種帶電微粒，圖1-29就是湯姆孫的原子模型。肖克萊等人決定集中研究硅、鍺等半導(dǎo)體材料，探討用半導(dǎo)體材料制作放大器件的可能性。無(wú)線電電子學(xué)技術(shù)開(kāi)始跨出通信系統(tǒng)，進(jìn)入人類活動(dòng)的更多領(lǐng)域。因?yàn)樵诎聪码婃I的瞬間，線圈兩端出現(xiàn)了較高的感應(yīng)電壓，從而在兩小球的間隙迸發(fā)出一連串電火花。圖1-57第二代計(jì)算機(jī)TRADIC●1925年10月2日，貝爾德的實(shí)驗(yàn)有了突破，他將一個(gè)人的圖像發(fā)射到了屏幕上，而且十分逼真，眼睛、嘴巴甚至眉毛和頭發(fā)都清晰可見(jiàn)?！?0世紀(jì)無(wú)線電通訊更有了異常驚人的發(fā)展。麥克斯韋推導(dǎo)出了電磁波在真空中的傳播速度為式（1-1），并由此推斷光就是電磁波。第一代(1946-1956)電子計(jì)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(wàn)次。電子通常排列在各個(gè)能量層上。早期通信方式

自從有了人類就有了通信，通信是隨人類社會(huì)的產(chǎn)生而產(chǎn)生，與人類社會(huì)的發(fā)展而發(fā)展的。圖4-1是不同社會(huì)時(shí)期人們交換和獲取消息的幾種方式?！袢缭忌鐣?huì)，人們通常是以聚獵為生，當(dāng)一人發(fā)現(xiàn)獵物，就會(huì)以特有的叫喊方式，向同伴發(fā)出信號(hào)，呼喚同伴的到來(lái)。

信鴿

吶喊狼煙驛站法羅斯燈塔復(fù)原圖

驛使壁畫(huà)

圖1-37早期消息傳播形式

早期通信方式●到商周后期，人們已習(xí)慣了定居生活，為了防止敵人的入侵，就在邊境筑起城墻和烽火臺(tái)，當(dāng)哨兵發(fā)現(xiàn)敵人來(lái)犯時(shí)，就燃起滾滾狼煙，以烽火狼煙的形式告誡境內(nèi)的民眾。歷史上曾經(jīng)還因此發(fā)生了“烽火戲諸侯”的趣聞。早期通信方式●信鴿和驛站則是在我國(guó)相當(dāng)大的一段歷史時(shí)期內(nèi)起著消息傳播的工具（圖1-37）?！竦搅私F(xiàn)代消息傳播的工具就多樣化了，、廣播、電視、互聯(lián)網(wǎng)等已成為生活的一部分。自19世紀(jì)初電通信技術(shù)問(wèn)世以來(lái)，短短的100多年時(shí)間里，通信技術(shù)的發(fā)展可謂日新月異。通信的發(fā)展經(jīng)歷著由模擬到數(shù)字、由系統(tǒng)到網(wǎng)絡(luò)、由窄帶到寬帶、由人工到智能、由單業(yè)務(wù)到多業(yè)務(wù)的過(guò)程。

近代通信方式在過(guò)去的半個(gè)世紀(jì)，電信領(lǐng)域發(fā)生了翻天覆地地變化，取得了前所未有的驚人成就。而電的介入是通信技術(shù)發(fā)生革命性的突破的關(guān)鍵。下面就簡(jiǎn)單介紹早期電通信的發(fā)展歷史。

1）莫爾斯發(fā)明有線電報(bào)

1832年，莫爾斯(圖1-38)在旅歐學(xué)習(xí)途中，對(duì)電磁學(xué)產(chǎn)生了興趣，由此萌發(fā)了把電磁學(xué)理論用于傳輸?shù)哪铑^。用什么符號(hào)代替26個(gè)英文字母呢?”莫爾斯苦苦思索。他畫(huà)了許多符號(hào)：點(diǎn)、橫線、曲線、正方形、三角形。最后，他決定用點(diǎn)、橫線和空白共同承擔(dān)起發(fā)報(bào)機(jī)的信息傳遞任務(wù)。近代通信方式圖1-38美國(guó)發(fā)明家莫爾斯

圖1-39莫爾斯電碼

近代通信方式2）貝爾的奇思遐想“電流可以使線圈振動(dòng)而發(fā)出聲音來(lái)，那么能否利用電流來(lái)傳輸人說(shuō)話的聲音呢？”正是這一奇思遐想引導(dǎo)貝爾去發(fā)明。近代通信方式貝爾要將聲音轉(zhuǎn)變成電流，發(fā)明了如圖1-41所示的話筒裝置：彈性膜片隨著聲波頻率而上下振動(dòng)。膜片的振動(dòng)將小盒中的導(dǎo)電粒子壓緊，這時(shí)電阻就減小；當(dāng)膜片向上振動(dòng)時(shí)，小盒中的粒子就呈疏松狀態(tài)，這時(shí)電阻就增大。因此電阻就完全隨聲波頻率而發(fā)生起伏變化。圖1-41話筒的原理圖

近代通信方式圖1-43的實(shí)驗(yàn)裝置圖1-441892年，貝爾在紐約至芝加哥的線路開(kāi)通儀式上近代通信方式3)電磁波的特性●電磁波是能量的一種，凡是高于絕對(duì)零度的物體，都會(huì)釋出電磁波?！褡兓碾妶?chǎng)和變化的磁場(chǎng)相互聯(lián)系，形成一個(gè)不可分割的統(tǒng)一體——電磁場(chǎng)。●電場(chǎng)和磁場(chǎng)只是電磁場(chǎng)這個(gè)統(tǒng)一體的兩種具體表現(xiàn)形式?！窀鶕?jù)麥克斯韋電磁場(chǎng)理論，電場(chǎng)和磁場(chǎng)將相互激發(fā),由近及遠(yuǎn)向周圍空間傳播出去，形成電磁波（圖1-25）。近代通信方式麥克斯韋推導(dǎo)出了電磁波在真空中的傳播速度為式（1-1），并由此推斷光就是電磁波。式（1-1）●電磁波頻率低時(shí)，主要借由有形的導(dǎo)電體才能傳遞。原因是在低頻的電振蕩中，磁電之間的相互變化比較緩慢，其能量幾乎全部返回原電路而沒(méi)有能量輻射出去；近代通信方式●電磁波頻率高時(shí)即可以在自由空間內(nèi)傳遞，也可以束縛在有形的導(dǎo)電體內(nèi)傳遞。在自由空間內(nèi)傳遞的原因是在高頻率的電振蕩中，磁電互變甚快，能量不可能全部返回原振蕩電路，于是電能、磁能隨著電場(chǎng)與磁場(chǎng)的周期變化以電磁波的形式向空間傳播出去，不需要介質(zhì)也能向外傳遞能量，這就是一種輻射。近代通信方式圖1-45電磁波譜近代通信方式如果把每個(gè)波段的頻率由低至高依次排列的話，它們是工頻電磁波、無(wú)線電波、紅外線、可見(jiàn)光、紫外線、X射線及γ射線。以無(wú)線電的波長(zhǎng)最長(zhǎng)，宇宙射線的波長(zhǎng)最短。近代通信方式4）馬可尼的幻想

1895年夏天，馬可尼在實(shí)驗(yàn)室與1.7公里遠(yuǎn)的山丘之間成功地進(jìn)行了通報(bào)試驗(yàn)。馬可尼第一個(gè)實(shí)驗(yàn)用的無(wú)線電報(bào)發(fā)報(bào)裝置如圖1-46，當(dāng)按下發(fā)報(bào)機(jī)中的莫爾斯電鍵時(shí)，就會(huì)在兩金屬球之間產(chǎn)生連串放電火花。近代通信方式因?yàn)樵诎聪码婃I的瞬間，線圈兩端出現(xiàn)了較高的感應(yīng)電壓，從而在兩小球的間隙迸發(fā)出一連串電火花。這些電火花所產(chǎn)生的振蕩通過(guò)發(fā)射天線向外界發(fā)射出電磁波。圖1-46無(wú)線電報(bào)發(fā)報(bào)射裝置

這里馬可尼將一根很長(zhǎng)的導(dǎo)線掛在竹竿上，作為接收電磁波的天線。天線的一端與一個(gè)稱為粉末檢波器的東西相連接，后者的另一端接地。

近代通信方式

無(wú)線電報(bào)為人類通信技術(shù)開(kāi)辟了一個(gè)嶄新的領(lǐng)域。1895年，馬可尼發(fā)明無(wú)線電設(shè)備（圖1-48）開(kāi)創(chuàng)了無(wú)線電通信發(fā)展的道路。圖1-48馬克尼發(fā)明無(wú)線電報(bào)器

近代通信方式5)廣播與電視的發(fā)明1906年12月24日圣誕節(jié)前夕，在美國(guó)新英格蘭海岸附近穿梭往來(lái)的船只上，報(bào)務(wù)員們聽(tīng)到的就是人類歷史上第一次試驗(yàn)性的無(wú)線電廣播，它是由加拿大出生的物理學(xué)家費(fèi)森登（圖1-49）主持和組織，并從他的實(shí)驗(yàn)室里播出的。圖1-49物理學(xué)家費(fèi)森登

近代通信方式費(fèi)森登是最早研究無(wú)線電廣播的先驅(qū)者之一。●1900年，他初次萌生了用無(wú)線電傳達(dá)人聲的設(shè)想?！駜赡暌院?，他建立了專門(mén)的實(shí)驗(yàn)室，研究如何將人的聲音加到無(wú)線電波上去。●費(fèi)森登花了整整四年時(shí)間才完成他的第一套簡(jiǎn)易的廣播發(fā)射裝置，做成了特殊的高頻交流發(fā)射機(jī)，并設(shè)計(jì)出了一種系統(tǒng)，用來(lái)調(diào)制電波振幅，使它能攜帶各種聲音信號(hào)。近代通信方式發(fā)射接收?qǐng)D1-50無(wú)線電廣播的工作過(guò)程近代通信方式上世紀(jì)初期，無(wú)線電技術(shù)廣泛運(yùn)用于通訊和廣播以后，世界上許多科學(xué)家都在著手研究電視機(jī)。●1906年，18歲的英國(guó)青年貝爾德（圖1-51）雄心勃勃，開(kāi)始研究電視機(jī)?！?925年10月2日，貝爾德的實(shí)驗(yàn)有了突破，他將一個(gè)人的圖像發(fā)射到了屏幕上，而且十分逼真，眼睛、嘴巴甚至眉毛和頭發(fā)都清晰可見(jiàn)。一架有實(shí)用意義的電視機(jī)宣告誕生了（圖1-52）。近代通信方式圖1-51電視發(fā)明人貝爾德圖1-52人類第一臺(tái)電視機(jī)

近代通信方式電視圖像信號(hào)的傳輸過(guò)程首先由攝像機(jī)將圖像變成電信號(hào)，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(hào)接收下來(lái)，通過(guò)解調(diào)由顯像管還原成圖像。圖1-53電視信號(hào)的傳輸過(guò)程

近代通信方式●中國(guó)古代發(fā)明的算盤(pán)被認(rèn)為是計(jì)算機(jī)的鼻祖，在大約六、七百年前，中國(guó)人開(kāi)始用算盤(pán)處理數(shù)據(jù)計(jì)算問(wèn)題；●在十七世紀(jì)，人們先后發(fā)明了各種可處理簡(jiǎn)單數(shù)值計(jì)算的機(jī)械計(jì)算機(jī)；●1946年JohnW.Mauchly和J.PresperEckert領(lǐng)導(dǎo)完成了世界上第一臺(tái)數(shù)字電子計(jì)算機(jī)——ENIAC(ElectronicNumericalIntegratorAndComputer)，開(kāi)創(chuàng)了人類的電子計(jì)算機(jī)時(shí)代。1.4計(jì)算機(jī)的發(fā)展1.4計(jì)算機(jī)的發(fā)展機(jī)械計(jì)算機(jī)的誕生電子計(jì)算機(jī)誕生晶體管計(jì)算機(jī)的發(fā)展集成電路為現(xiàn)代計(jì)算機(jī)鋪平道路當(dāng)代計(jì)算機(jī)漸入輝煌計(jì)算機(jī)發(fā)展中的重要任務(wù)機(jī)械計(jì)算機(jī)的誕生●1623年，WilhelmSchickard制作了一個(gè)能進(jìn)行六位以內(nèi)數(shù)加減法；●1625年，WilliamOughtred發(fā)明計(jì)算尺；●1642至1643年，巴斯卡(BlaisePascal)發(fā)明了齒輪式加減器;●1673年德國(guó)數(shù)學(xué)家萊布尼茲（）在帕斯卡的齒輪加減器上增加了乘、除法，制成了能進(jìn)行四則運(yùn)算的機(jī)械式運(yùn)算器（乘法計(jì)算機(jī)）；●1822年和1834年英國(guó)數(shù)學(xué)家CharlesBabage先后設(shè)計(jì)了差分機(jī)與分析機(jī)；●1888年，美國(guó)人赫爾曼·霍勒斯發(fā)明了制表機(jī)。機(jī)械計(jì)算機(jī)的誕生(a)六位以內(nèi)數(shù)加減法

(b)機(jī)械加法器

(c)乘法計(jì)算機(jī)

(d)差分機(jī)

(e)分析機(jī)

(f)霍勒斯制表機(jī)

早期的機(jī)械計(jì)算機(jī)

電子計(jì)算機(jī)誕生●1938年，德國(guó)科學(xué)家Zuse制造出Z-1計(jì)算機(jī)，這是第一臺(tái)采用二進(jìn)制的計(jì)算機(jī)?！?/p>

1943年，英國(guó)科學(xué)家研制成功第一臺(tái)“巨人”計(jì)算機(jī)，專門(mén)用于破譯德軍密碼?！?/p>

1944年，霍華德·艾肯（HowardAiken）等研制出了機(jī)電式自動(dòng)順序控制計(jì)算機(jī)MARKI，這是世界上最早的通用型自動(dòng)機(jī)電式計(jì)算機(jī)之一，●

1946年2月15日，世界上第一臺(tái)通用數(shù)字電子計(jì)算機(jī)ENIAC研制成功。第一代(1946-1956)電子計(jì)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(wàn)次。電子計(jì)算機(jī)誕生(a)Ｚ３形計(jì)算機(jī)

(b)“巨人”（Colossus

(c)MARK-I

(d)ENIAC

圖1-54電子計(jì)算機(jī)的演進(jìn)晶體管計(jì)算機(jī)的發(fā)展●1948年，晶體管的發(fā)明大大促進(jìn)了計(jì)算機(jī)的發(fā)展，●1956年，晶體管在計(jì)算機(jī)中使用，晶體管和磁芯存儲(chǔ)器導(dǎo)致了第二代計(jì)算機(jī)（1959—1965年）的產(chǎn)生?！竦诙?jì)算機(jī)體積小、速度快、功耗低、性能更穩(wěn)定。●1955年，貝爾實(shí)驗(yàn)室研制出世界上第一臺(tái)全晶體管計(jì)算機(jī)TRADIC，裝有800只晶體管，僅100瓦功率，占地也只有3立方英尺。晶體管計(jì)算機(jī)的發(fā)展

圖1-57第二代計(jì)算機(jī)TRADIC

集成電路為現(xiàn)代計(jì)算機(jī)鋪平道路●1958年德州儀器的工程師JackKilby發(fā)明了集成電路(IC)?！?961年美國(guó)德克薩斯儀器公司與美國(guó)軍方合作，研制出第一臺(tái)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(jì)算機(jī)。1964年IBM生產(chǎn)出了由混合集成電路制成的IBM350系統(tǒng)，這成為第三代計(jì)算機(jī)（1965—1971）的主要里程碑。●1964年，美國(guó)IBM公司研制成功第一個(gè)采用集成電路的通用電子計(jì)算機(jī)系列IBM360系統(tǒng)。圖1-62IBM360集成電路為現(xiàn)代計(jì)算機(jī)鋪平道路當(dāng)代計(jì)算機(jī)漸入輝煌●1971年美國(guó)Intel公司生產(chǎn)了第一塊單片微處理器Intel4004，同時(shí)INTER公司用其組成了世界上第一臺(tái)微機(jī)MSC-４，這標(biāo)志第四代計(jì)算機(jī)的產(chǎn)生。中央處理器CPU高度集成是這一代微機(jī)的主要特征。為適應(yīng)未來(lái)社會(huì)信息化的要求,科學(xué)家們提出了第五代計(jì)算機(jī)。第五代電子計(jì)算機(jī)是智能電子計(jì)算機(jī)，它是一種有知識(shí)，會(huì)學(xué)習(xí)，能推理的計(jì)算機(jī)。突破了傳統(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(lái)，并行處理信息，速度大大提高。

計(jì)算機(jī)的發(fā)展趨向主要表現(xiàn)在巨型化、微型化、多媒體、網(wǎng)絡(luò)化、智能化以及非馮?諾依曼式計(jì)算機(jī)。(a)微型化計(jì)算機(jī)

(b)超級(jí)計(jì)算機(jī)(CRAY-Ⅱ)

(d)中國(guó)超級(jí)計(jì)算機(jī)銀河Ⅱ

圖1-63各種形式的計(jì)算機(jī)當(dāng)代計(jì)算機(jī)漸入輝煌計(jì)算機(jī)發(fā)展中的重要人物1）布爾（邏輯代數(shù)）創(chuàng)立了一門(mén)全新的學(xué)科－布爾代數(shù)，為百年后出現(xiàn)的數(shù)字計(jì)算機(jī)的開(kāi)關(guān)電路設(shè)計(jì)提供了重要的數(shù)學(xué)方法和理論基礎(chǔ)。布爾計(jì)算機(jī)發(fā)展中的重要人物2）阿塔納索夫（計(jì)算機(jī)三原則）1939年，阿塔納索夫提出了計(jì)算機(jī)的三原則，即現(xiàn)代電子計(jì)算機(jī)所依據(jù)的三條基本原則。并于1939年和其同事研制出第一臺(tái)數(shù)字計(jì)算機(jī)的模型。阿塔納索夫計(jì)算機(jī)發(fā)展中的重要人物3）圖靈（圖靈機(jī)）提出思考實(shí)驗(yàn)原理計(jì)算機(jī)概念，并提出計(jì)算機(jī)史上與“馮·諾依曼機(jī)器”齊名的“圖靈機(jī)”抽象計(jì)算模型。4）維納提出來(lái)現(xiàn)代計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)的五條原則。圖靈維納計(jì)算機(jī)發(fā)展中的重要人物5）馮·諾依曼（現(xiàn)代電子計(jì)算機(jī)之父）馮·諾依曼和同事們依據(jù)此原理設(shè)計(jì)出了一個(gè)完整的現(xiàn)代計(jì)算機(jī)雛形，并確定了存儲(chǔ)程序計(jì)算機(jī)的五大組成部分和基本工作方法。馮·諾依曼的這一設(shè)計(jì)思想被譽(yù)為計(jì)算機(jī)發(fā)展史上的里程碑，標(biāo)志著計(jì)算機(jī)時(shí)代的真正開(kāi)始。馮·諾依曼計(jì)算機(jī)發(fā)展中的重要人物6）香儂（計(jì)算機(jī)開(kāi)關(guān)電路）香儂首次用布爾代數(shù)進(jìn)行開(kāi)關(guān)電路分析，并證明布爾代數(shù)的邏輯運(yùn)算可以通過(guò)繼電器電路來(lái)實(shí)現(xiàn)，明確地給出了實(shí)現(xiàn)加、減、乘、除等運(yùn)算的電子電路的設(shè)計(jì)方法。香農(nóng)1.5自動(dòng)控制理論的發(fā)展經(jīng)典(自動(dòng))控制理論1.萌芽階段

古代人類在長(zhǎng)期生產(chǎn)和生活中，為了減輕自己的勞動(dòng)，逐漸產(chǎn)生利用自然界動(dòng)力代替人力畜力，以及用自動(dòng)裝置代替人的部分繁難的腦力活動(dòng)的愿望，經(jīng)過(guò)漫長(zhǎng)歲月的探索，他們互不相關(guān)地造出一些原始的自動(dòng)裝置(a)銅漏壺(b)三級(jí)漏壺

自動(dòng)計(jì)時(shí)裝置──漏壺指南車外形

指南車模型

水運(yùn)儀象臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖2.起步階段