电子信息工程概论课件.ppt

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1、第1章 电子信息技术发展史,1.1 电的发现与发展 1.2 电子线路元件的发展1.3 近代通信技术发展1.4 计算机的发展1.5自动控制理论的发展,1.1 电的发现与发展,1.1.1 电的发现1.1.2 电的效应1.1.3 欧姆定律实验1.1.4 电磁波的发现,1.1.1 电的发现,1）摩擦起电 “电”一词在西方是从希腊文琥珀一词转意而来的，是能的一种形式，它包括了许多种由于电荷的存在或移动而产生的现象，自然界的闪电就是其中一种。, 1600年，英国物理学家吉伯发现，不仅琥珀和煤玉摩擦后能吸引轻小物体，而且相当多的物质经摩擦后也都具有吸引轻小物体的性质（图1-1）,图1-1 摩擦起电,1.1.

2、1 电的发现,他注意到这些物质经摩擦后并不具备磁石那种指南北的性质。为了表明与磁性的不同，他采用琥珀的希腊字母拼音把这种性质称为电的。,大约在1660年，马德堡的盖利克发明了第一台摩擦起电机。他用硫磺制成形如地球仪的可转动球体，用干燥的手掌摩擦转动球体，使之获得电。,图1-2感应起电机,1.1.1 电的发现,2) 伽伐尼青蛙实验 1780年，意大利的解剖学家伽伐尼（图1-3）偶然观察到与金属相接触的蛙腿发生抽动。它在实验室解剖青蛙，把剥了皮的蛙腿，用刀尖碰蛙腿上外露的神经时，蛙腿剧烈地痉挛，同时出现电火花（如图1-4）。,图1-3 伽伐尼,1-4 伽伐尼的青蛙实验,1.1.1 电的发现,3)库

3、仑扭秤很久以前，人们已经知道电荷只有两种，同种电荷互相排斥，不同电荷互相吸引。但是这种相互排斥或吸引的力非常小，难以测量，2000多年来人们始终无法了解这种力的规律。,1.1.1 电的发现,这种相互吸引的或排斥的力，与两个小球所带电量的乘积成正比，与两个小球之间距离的平方成反比。库仑用自己发明的扭秤建立了静电学中著名的库仑定律，为了纪念这位探索电的先驱，人们把电量的单位称为“库仑”。,图1-5法国物理学家库仑,图1-6 库仑扭秤,1.1.1 电的发现,4) 莱顿瓶与伏打电堆1745年，荷兰莱顿大学的物理学教授穆申布鲁克发明了能保存静电的莱顿瓶。莱顿瓶是一个玻璃瓶，瓶的外面和瓶内均贴上像纸一样的

4、银箔，把摩擦起电装置所产生的电用导线引到瓶内的银箔上面，而把瓶外壁的银箔接地，这样就可以使电在瓶内聚集起来(图1-7)。,1.1.1 电的发现,如果用一根导线把瓶内的银箔和瓶外壁的银箔连接起来，则产生放电现象，引起电火花，发生响声，并伴随着一种气味。,图1-7 莱顿瓶,1.1.1 电的发现,莱顿瓶的发明，为科学界提供了一种贮存电的有效的方法，为进一步深入研究电的现象提供了一种新的强有力的手段。,18世纪后期电学的另一个重要的发展是意大利物理学家伏打（图1-8）发明了电池，在这之前，电学实验只能用摩擦起电机的莱顿瓶进行，而它们只能提供短暂的电流。,图1-8 意大利物理学家伏打,1.1.1 电的发

5、现,1792年，伏打对伽伐尼青蛙实验进行了仔细研究之后，认为蛙腿的抽动是一种对电流的灵敏反应。,电流是两种不同金属插在一定的溶液内并构成回路时产生的，而肌肉提供了这种溶液。基于这一思想，1799年，他制造了第一个能产生持续电流的化学电池，其装置为一系列按同样顺序叠起来的银片、锌片和用盐水浸泡过的硬纸板组成的柱体，叫做伏打电堆（图1-9）。,图1-9 伏打电堆,1.1.1 电的发现,电堆能产生连续的电流，它的强度的数量级比从静电起电机能得到的电流大，由此开始了一场真正的科学革命。为了纪念这位杰出的科学家，人们把电压的单位定为“伏特”。伏特简称伏，符号是V。,1.1.1 电的发现,伏打电池可以说是

6、伏打赠给19 世纪的宝贵礼物。他的这个发明为电流效应的应用开创了前景，并很快成为进行电磁学和化学研究的有力工具。,5）富兰克林风筝实验莱顿瓶的发明使物理学第一次有办法得到很多电荷，并对其性质进行研究。1746年，英国伦敦一名叫柯林森的物理学家，通过邮寄向美国费城的本杰明.富兰克林赠送了一只莱顿瓶，并在信中向他介绍了使用方法，这直接导致了1752年富兰克林著名的费城实验。,1.1.1 电的发现,图1-10 富兰克林的风筝实验, 他做了一个把风筝放到雷雨云里去的实验。他用金属丝把一个很大的风筝放到云层里去，金属丝的下端接了一段绳子，另外金属丝上还挂了一串钥匙。当时富兰克林一手拉住绳子，用另一手轻轻

7、触及钥匙。于是他立即感到一阵猛烈的冲击（电击），同时还看到手指和钥匙之间产生了小火花（图1-10）。,1.1.1 电的发现,这个实验表明：被雨水湿透了的风筝的金属线变成了导体，把空中闪电的电荷引到手指与钥匙之间，这在当时是一件轰动一时的大事。富兰克林在美国费城的实验惊动了教会，他们斥责他冒犯天威，是对上帝和雷公的大逆不道。然而，他仍然坚持不懈，而且在一年后制造出世界上第一个避雷针，终于制服了天电。富兰克林的这个实验，不仅在美国有很大的影响，而且影响到世界其他国家。,1.1.1 电的发现,1）奥斯特电流磁效应奥斯特（图1-11）根据已发现一些电可能会发生磁的迹象，坚信电磁间有联系，并开展电是否能

8、产生磁的研究。 1820年4月的一天，奥斯特在一次讲演快结束的时候，抱着试试看的心情又做了一次实验。他把一条非常细的铂导线放在一根用玻璃罩罩着的小磁针上方，接通电源的瞬间，发现磁针跳动了一下（图1-12）。这一跳使有心的奥斯特喜出望外，竟激动得在讲台上摔了一跤。,1.1.2 电的效应,图1-11 丹麦物理学家奥斯持,图1-12电流磁效应,1.1.2 电的效应,以后的两个月里，奥斯特闭门不出，设计了几十个不同的实验，都证实了通电导线周围存在磁场。 同年7月，奥斯特发表了关于磁体周围电冲突的实验论文，向学术界宣布了电流的磁效应，整个物理学界都震动了。,1.1.2 电的效应,2）安培电流磁效应与分子

9、电流假说1820年7月 ，H.C.奥斯特发表关于电流磁效应的论文后，安培（图1-13）报告了他的实验结果 ：通电的线圈与磁铁相似。 9月25日，他报告了两根载流导线存在相互影响，相同方向的平行电流彼此相吸，相反方向的平行电流彼此相斥（图1-14），并进一步发现了通电螺线管与条形磁铁的等效性（图1-15）。,1.1.2 电的效应,图1-13 法国化学家安培,图1-14载流直导线相互作用,图1-15载流螺线管与条形磁铁等效,1.1.2 电的效应,通过一系列经典的和简单的实验，他认识到磁是由运动的电产生的。他用这一观点来说明地磁的成因和物质的磁性。 他提出分子电流假说（图1-16）：电流从分子的一端

10、流出，通过分子周围空间由另一端注入；非磁化的分子的电流呈均匀对称分布，对外不显示磁性；当受外界磁体或电流影响时，对称性受到破坏，显示出宏观磁性，这时分子就被磁化了。,1.1.2 电的效应,图1-16 安培分子电流假说,为了进一步说明电流之间的相互作用，18211825年，安培做了关于电流相互作用的四个精巧的实验，并根据这四个实验导出两个电流元之间的相互作用力公式。,1.1.2 电的效应,1827年，安培将他的电磁现象的研究综合在电动力学现象的数学理论一书中 ，这是电磁学史上一部重要的经典论著，对以后电磁学的发展起了深远的影响。为了纪念安培在电学上的杰出贡献，电流的单位安培是以他的姓氏命名的。

11、在科学高度发展的今天，安培的分子电流假说已成为认识物质磁性的重要依据。,1.1.2 电的效应,3）法拉第电磁感应法拉第（图1-17）经过近10年的努力，于1831年发现了电磁感应现象。他把磁产生电的现象称为“电磁感应”，并且概括了可以产生感应电流的几种途径：电流变化、磁场变化、流过恒定电流的导线空间位置变化、磁场运动以及使导体在磁场中运动。,图1-17 英国著名物理学家、化学家法拉第,1.1.2 电的效应,这里的关键技术是：产生感应电流的回路都是处在一个变化的磁场中，一旦磁场变化停止，感应电流就消失（图1-18）。,图1-18 产生感应电流,1.1.2 电的效应,实际上，法拉第已经告诉了人们发

12、电的五种方法，其中第五种已经成为今天全世界共同采用的发电方式，目前人们使用的电主要用这种方法得到。电磁感应现象应用例子如图1-19和1-20。,图1-19麦克风,图1-20发电机原理,1.1.2 电的效应,1852年5月，德国物理学家欧姆（图1-21）研究探讨了电流产生的电磁力的衰减与导线长度的关系，其结果在他的第一篇科学论文中发表，在这个实验中，他碰到了测量电流强度的困难。,图1-21德国物理学家欧姆,1.1.3 欧姆定理实验,在德国科学家施威格发明的检流计启发下，他把奥斯特关于电流磁效应的发现和库仑扭秤方法巧妙地结合起来，设计了一个电流扭力秤，用它测量电流强度。 欧姆从初步的实验中证实，电

13、流的电磁力与导体的长度有关。随后，在试验中改变电路上的电动势中，他发现：电荷在导体中流动遵从一种十分简单的规律：电流和电压成正比。,1.1.3 欧姆定理实验,电压和电流之间的比例系数称作电阻，它表示导体对电荷流动所呈现的“阻力”（图1-22），电动势与电阻之间的依存关系，就是欧姆定律。,I=U/R,图1-22 欧姆定理实验电路图,1.1.3 欧姆定理实验,1）麦克斯韦方程组麦克斯韦（图1-23）通过对前人的发现和成果加以总结和升华以及结合位移电流概念的引入，创造性地提出了变化电场可在周围激发磁场的假设，把物理与数学紧密结合, 利用类比方法建立了描写电磁场运动规律的麦克斯韦方程组（图1-24）。

14、,1.1.4 电磁波的发现,图1-23 英国物理学家家麦克斯韦,图1-24 麦克斯韦方程组,1.1.4 电磁波的发现,由麦克斯韦方程组出发，根据交变的电场（或磁场）可在周围产生交变磁场（或电场），预言了电磁波。 他认为这种交变电磁场可不断由振源向远处传播开来，电磁振荡在空间的传播就形成了电磁波（图1-25）。,1.1.4 电磁波的发现,(a) 电磁波的形成和发展,(b) 沿X方向传播的简谐平面电磁波,图1-25 电磁波,1.1.4 电磁波的发现,麦克斯韦的电磁理论首次综合和发展了前人工作, 给出了一个描写电磁场运动的完美的统一方程；充分反映了电场与磁场以及时间空间的对称性；数学形式简单优美,

15、充分体现了物理学的美以及数学的重要性； 更重要的是科学家正是利用数学方法从庞杂的经验事实中找出自然界普遍的高于感性经验的客观规律来。,1.1.4 电磁波的发现,2）赫兹实验1873年，德国物理学家赫兹(图1-26)用试验第一次证明了电磁波的存在。他自制了一个能够产生电磁振荡的仪器，产生出电磁波，在离它三公尺的地方，赫兹用一个简单的接受器接受到了这台仪器发出的电磁波。图1-27 是赫兹试验验证原理图。,1.1.4 电磁波的发现,图1-26 德国物理学家赫兹,图1-27赫兹实验,1.1.4 电磁波的发现,图的左方是由感应圈、金属杆A、B组成的电磁波发射器。A、B金属杆两个金属球之间留有间隙。把两金

16、属杆接到感应圈C的两极上。感应圈是一个特殊的变压装置，它可以把低电压变成高电压。,1.1.4 电磁波的发现,当两球之间的电压足够高时，空气被击穿，在两球间隙中发生火花放电。每跳一次火花，电荷在两球的间隙间往复多次，形成高频振荡电流。火花放电是间断性的，跳过一次火花之后，接着跳过第二次火花，这样就间断性地发出电磁波。,图1-27的右方是电磁波接收器，它是一个金属圆环，也留有一个间隙，在间隙处的两端带有金属球。当电磁波传到接收器时，电磁波使环的两个金属球间产生电动势。这个电动势足够高时，在两球间隙中也会发生火花放电。,1.1.4 电磁波的发现,赫兹在实验时曾指出，电磁波可以被反射、折射和如同可见光

17、、热波一样的被偏振。由他的振荡器所发出的电磁波是平面偏振波，其电场平行于振荡器的导线，而磁场垂直于电场，且两者均垂直传播方向。,1.1.4 电磁波的发现,1889年在一次著名的演说中，赫兹明确的指出，光是一种电磁现象。此外，赫兹还发现电磁波可以毫无困难地通过墙壁，不过它能被大金属挡住；镜子可以反射电磁波。赫兹还测出电磁波的波长，由此计算出电磁波的传播速度，结果发现，电磁波的传播速度和光速完全相同。,第一次以电磁波传递信息是1896年意大利马可尼开始的。1901年，马可尼又成功的将讯号送到大西洋彼岸的美国。20世纪无线电通讯更有了异常惊人的发展。,1.1.4 电磁波的发现,赫兹实验不仅证实麦克斯

18、韦的电磁理论，更为无线电、电视和雷达的发展找到了途径。电的真正魅力在于，它为人类提供了一种传输和控制能量最理想的方式，使人类获得了一种以光速传输信息的载体。,1.2 电子线路元件的发展,1.2.1 电子的发现1.2.2 电子管1.2.3 晶体管1.2.4 集成电路,1.2.1 电子的发现,电子的发现过程，始于人们对气体放电的研究。当气体放电发生时，电子很容易脱离原子的束缚呈现许多新奇现象。它们引导科学家探寻隐藏其中的奥秘，从而找到电子；,应用电子的构想，源于白炽灯的发明。白炽灯灼热的灯丝，不仅持续地发出明亮的光，并源源不断地发射电子； 这些电子在没有空气的环境里能够自由地飞行，借助电和磁的作用

19、，人们可以控制它们的运动，这成为各类电子技术发明共同的基础。,1897年，英国科学家汤姆孙（如图1-28）对阴极射线进行更加精确的实验研究时发现，阴极射线是一种带负电的微粒，与气体成分或阴极材料无关，它存在于一切物质之中。,1.2.1 电子的发现,汤姆孙用“电子”一词命名他确认的这种带电微粒，图1-29就是汤姆孙的原子模型。科学史家将人类发现电子的时间定为1897年。,图 1-28英国科学家汤姆孙,图1-29 汤姆孙的原子模型,1.2.1 电子的发现,电子是一种基本粒子，目前无法再分解为更小的物质。其直径是质子的0.001倍，重量为质子的1/1836。电子围绕原子的核做高速运动。电子通常排列在

20、各个能量层上。当原子互相结合成为分子时，在最外层的电子便会由一原子移至另一原子或成为彼此共享的电子。在汤姆孙的原子模型中，原子是一个球体；正电核均匀分布在整个球内，而电子镶嵌在原子里面。,1.2.1 电子的发现,1904年，英国工程师弗莱明(图 1-30)发明了人类第一只电子管, 电子管的诞生，是人类电子文明的起点。弗莱明真空二极管的发明得益于爱迪生发现的“爱迪生效应”。,1.2.2 电子管,弗莱明采用在真空中利用电流加热灯丝的方法，轻而易举地获得逸出物体的自由电子，并用它做成了一种效率很高的无线电信号检测器-真空二极管（如图1-31）。真空二极管可使频率很高的无线电信号被整流检波成为人们需要

21、的信息。,图 1-30英国工程师弗莱明,图 1-31 真空电子二极管（1904年）,1.2.2 电子管, 1906年，另一位美国发明家德福雷斯特福瑞斯特（图1-32）致力于能放大电信号的真空管的研究，他在真空二极管的阳极与阴极之间的靠近阴极的区域安置了一个栅网状电极控制栅极。,1.2.2 电子管,这样一来，从阴极发射出来的奔向阳极的电子数目就将受到加在栅极上的电信号的控制。于是能放大电信号的第一代电子器件真空三极管问世了。真空三极管（如图1-33）是一种能量转换装置，就好像是电信号的加油站，这项看似简单的发明，翻开了电子技术发展史新的一页。,图1-32美国发明家德福雷斯特,图1-33 真空三极

22、管,1.2.2 电子管,真空三极管的发明，使无线广播迅速成为一种大众传媒，收音机成为一种时尚家电。利用真空三极管，可以产生功率强大的高频无线电信号，同时使声音变成的电信号叠加在上面，向幅员辽阔的地域播送语音信息。,1.2.2 电子管,真空三极管产生的高频电信号可使人体某些组织发热，从而改善血液循环，有助于医生治疗疾病。它还可用来熔炼金属，对金属材料进行淬火处理，改善工具、机器零部件的性能等。,无线电电子学技术开始跨出通信系统，进入人类活动的更多领域。作为电子学装置的核心器件，真空三极管一直推动着电子技术前进，直到1947年，三位美国科学家发明晶体管，它才逐渐退出历史舞台。,1.2.2 电子管,

23、为了克服电子管的局限性，第二次世界大战结束后，贝尔实验室加紧了对固体电子器件的基础研究。肖克莱等人决定集中研究硅、锗等半导体材料，探讨用半导体材料制作放大器件的可能性。,1.2.3 晶体管,1945年秋天，贝尔实验室成立了以肖克莱为首的半导体研究小组，成员有布拉顿、巴丁等人（图1-34）。他们经过一系列的实验和观察，逐步认识到半导体中电流放大效应产生的原因。,图1-34 晶体管的三位发明人：巴丁、肖克莱、布拉顿,1.2.3 晶体管,布拉顿发现，在锗片的底面接上电极，在另一面插上细针并通上电流，然后让另一根细针尽量靠近它，并通上微弱的电流，这样就会使原来的电流产生很大的变化。,1.2.3 晶体管

24、,微弱电流少量的变化，会对另外的电流产生很大的影响，这就是“放大”作用。布拉顿等人，还想出有效的办法，来实现这种放大效应。他们在发射极和基极之间输入一个弱信号，在集电极和基极之间的输出端，就放大为一个强信号了。,巴丁和布拉顿最初制成的固体器件的放大倍数为50左右。不久之后，他们利用两个靠得很近(相距0.05毫米)的触须接点，来代替金箔接点，制造了“点接触型晶体管”。,1.2.3 晶体管,1947年12月，这个世界上最早的实用半导体器件终于问世了（图1-35），在首次试验时，它能把音频信号放大100倍，它的外形比火柴棍短，但要粗一些。,图1-35 晶体管的早期模式和第一个晶体管,1.2.3 晶体

25、管,在为这种器件命名时，布拉顿想到它的电阻变换特性，即它是靠一种从“低电阻输入”到“高电阻输出”的转移电流来工作的，于是取名为trans-resister(转换电阻)，后来缩写为transister，中文译名就是晶体管。,1.2.3 晶体管,晶体管的发明是20世纪最伟大的发明，它为集成电路的出现拉开了序幕，晶体管的发明奠定了现代电子技术的基础，揭开了微电子技术和信息化的序幕，开创了人类的硅文明时代。,大约在1956年，英国的德马就从晶体管原理预想到了集成电路的出现。1958年美国提出了用半导体制作全部电路元器件实现集成电路化方案。当年，美国德州仪器公司的基尔比在研究微型组件时，为实现电路的微型

26、化，提出了用同一种材料做出电子元器件的设想，并在一个玻璃板上焊接锗晶体管芯片等元件，成功地研究出了微小型锗振荡器，这就是世界第一块集成电路。 1961年，开始批量生产集成电路。,1.2.4 集成电路,集成电路示例见图1-36。,(a)第一块集成电路,(b)集成电路芯片显微照片,(c)各种封装好的集成电路,图 1-36 集成电路示例,1.2.4 集成电路,集成电路并不是一个一个的电路元器件连接成的电路，而是把具有某种功能的电路“埋”在半导体晶体管里的一种器件。它易于小型化和减少引线端，所以具有可靠性高的优点。集成电路的发明，是电子产品工艺技术的一次革命，进一步减小了电子设备的体积，由此，它们变得

27、更轻、更小。,1.2.4 集成电路,由于不同的电子元件大部分可以在同一块硅片上制造，相互紧密连接在一起，因而减少了元件失效和引线断裂的可能性，提高了电子设备的可靠性，也降低了电子产品制造的成本。 为充分体现集成电路的优越性，人们竞相改进工艺，努力在同样尺寸的硅片上制造越来越多的电子元件。,1.2.4 集成电路,a). 20世纪60年代初期，人们只能制做一块硅片包含几 十个元件的小规模集成电路；b).20世纪70年代后期，人们已经能够在面积30平方毫米的一块硅片上集成13万个晶体管；,1.2.4 集成电路,c).20世纪90年代以来，超大规模集成电路技术迅速发展，人们已经能在一块指甲盖大小的硅片

28、上制做包含500万个晶体管的集成电路。 集成电路的发明导致了电子技术发展的飞跃，使电子技术进入了微电子技术的新阶段。,1.3 近代通信技术发展,1.3.1 早期通信方式1.3.2 近代通信方式,随着社会的不断进步，人类在科学与技术领域取得的一系列重大突破，人类通信技术的力量如沉睡的巨龙，破壳而出，在近100多年的时间里取得了前所未有的进步，对人类的生活方式和生活质量产生了深远的影响。,1.3 近代通信技术发展,1.3.1 早期通信方式,自从有了人类就有了通信，通信是随人类社会的产生而产生，与人类社会的发展而发展的。图4-1是不同社会时期人们交换和获取消息的几种方式。如原始社会，人们通常是以聚猎

29、为生，当一人发现猎物，就会以特有的叫喊方式，向同伴发出信号，呼唤同伴的到来。,信鸽,呐喊,狼烟,驿站,法罗斯灯塔复原图,驿使壁画,图1-37 早期消息传播形式,1.3.1 早期通信方式,到商周后期，人们已习惯了定居生活，为了防止敌人的入侵，就在边境筑起城墙和烽火台，当哨兵发现敌人来犯时，就燃起滚滚狼烟，以烽火狼烟的形式告诫境内的民众。历史上曾经还因此发生了“烽火戏诸侯”的趣闻。,1.3.1 早期通信方式,信鸽和驿站则是在我国相当大的一段历史时期内起着消息传播的工具（图1-37）。到了近现代消息传播的工具就多样化了，电话、广播、电视、互联网等已成为生活的一部分。,自19世纪初电通信技术问世以来，

30、短短的100多年时间里，通信技术的发展可谓日新月异。通信的发展经历着由模拟到数字、由系统到网络、由窄带到宽带、由人工到智能、由单业务到多业务的过程。,1.3.2 近代通信方式,在过去的半个世纪，电信领域发生了翻天覆地地变化，取得了前所未有的惊人成就。而电的介入是通信技术发生革命性的突破的关键。下面就简单介绍早期电通信的发展历史。,1）莫尔斯发明有线电报 1832年，莫尔斯(图1-38)在旅欧学习途中，对电磁学产生了兴趣，由此萌发了把电磁学理论用于传输的念头。用什么符号代替26个英文字母呢?”莫尔斯苦苦思索。他画了许多符号：点、横线、曲线、正方形、三角形。最后，他决定用点、横线和空白共同承担起发

31、报机的信息传递任务。,1.3.2 近代通信方式,他为每一个英文字母和阿拉伯数字设计出代表符号，这些代表符号由不同的点、横线和空白组成。这是电信史上最早的编码。后人称它为“莫尔斯电码”。 两年后，莫尔斯发明了用电流的“通”和“断”来编制代表数字和字母的电码莫尔斯电码（图1-39）。并于1837年制作成了莫尔斯电报机(如图1-40)。,1.3.2 近代通信方式,图1-38 美国发明家莫尔斯,图1-39莫尔斯电码,1.3.2 近代通信方式,当按下莫尔斯电键时，电路接通。有电流通过右边的电磁铁线圈。电磁铁的磁性吸下抄报装置的杠杆。杠杆的另一端连接一个笔尖。 这时笔尖就压触在不断移动的抄报纸上。它就是用

32、这种不同的或间接互异的电码组成要传递的信息。莫尔斯带领一批人在华盛顿和巴尔的摩两地之间，架设了人类有史以来第一条电报线路。,1.3.2 近代通信方式,1844年5月24日，在华盛顿举行了一次有历史意义的试验。莫尔斯用一系列嘀哒嘀哒的电报符号发出信息，这信息只有简单的一句话：“上帝创造了何等奇迹！”在巴尔的摩城守候在收报机旁的助手立即收译出“上帝创造了何等奇迹！” 从此开创了人类通信的新纪元。,1.3.2 近代通信方式,我国最早的有线电报是在1879年大沽口炮台至天津之间敷设的军用电报线路。1881年12月28日，我国第一个民用电报局开始营业，这是于1881年4月至12月敷设成功的天津与上海之间

33、全长3075华里的电报线。,2）贝尔的奇思遐想 “电流可以使线圈振动而发出声音来，那么能否利用电流来传输人说话的声音呢？”正是这一奇思遐想引导贝尔去发明电话。,1.3.2 近代通信方式,贝尔要将声音转变成电流，发明了如图1-41所示的话筒装置：弹性膜片随着声波频率而上下振动。膜片的振动将小盒中的导电粒子压紧，这时电阻就减小；当膜片向上振动时，小盒中的粒子就呈疏松状态，这时电阻就增大。因此电阻就完全随声波频率而发生起伏变化。,图 1-41 话筒的原理图,1.3.2 近代通信方式,根据欧姆定律，电压不变的情况下，电流就随电阻的变化而变化了。貝尔发明的电话声波由左方的话筒注入，振动內部的铁膜片，导线

34、将信号送到右方的收话机,电话的试验原理如图1-42。,图 1-42 电话的实验原理,1.3.2 近代通信方式,图1-42中,右边是受话筒，即现在的耳机或听筒，它内部也有一片铁制的振动膜片，安置在一块蹄形电磁铁上。当送话器中产生的振动电流流过受话器中的电磁铁线圈时，由于受到电磁铁的吸力，铁制振动膜片便随着电流的振动频率而发生振动，并激起周围空气的振动，因而还原成送话器那边说话人的声音。,1.3.2 近代通信方式,1876年3月10日，贝尔的试验成功了，他为人类实现了顺风耳的梦想。人们为了纪念这位伟大的发明家，就用贝尔的名字作为声学计量功率等级的单位。在实际测量中“贝尔”这个单位显得过大，所以人们

35、常用贝尔的十分之一-分贝，作为声强等级单位，也作为声压等级单位。,1.3.2 近代通信方式,图1-43电话的实验装置,图 1-44 1892年，贝尔在纽约至芝加哥的电话线路开通仪式上,1.3.2 近代通信方式,3)电磁波的特性电磁波是能量的一种，凡是高于绝对零度的物体，都会释出电磁波。 变化的电场和变化的磁场相互联系，形成一个不可分割的统一体电磁场。电场和磁场只是电磁场这个统一体的两种具体表现形式。根据麦克斯韦电磁场理论，电场和磁场将相互激发,由近及远向周围空间传播出去，形成电磁波（图1-25）。,1.3.2 近代通信方式,麦克斯韦推导出了电磁波在真空中的传播速度为式（1-1），并由此推断光就

36、是电磁波。 式（1-1）电磁波频率低时，主要借由有形的导电体才能传递。原因是在低频的电振荡中，磁电之间的相互变化比较缓慢，其能量几乎全部返回原电路而没有能量辐射出去；,1.3.2 近代通信方式,电磁波频率高时即可以在自由空间内传递，也可以束缚在有形的导电体内传递。在自由空间内传递的原因是在高频率的电振荡中，磁电互变甚快，能量不可能全部返回原振荡电路，于是电能、磁能随着电场与磁场的周期变化以电磁波的形式向空间传播出去，不需要介质也能向外传递能量，这就是一种辐射。,1.3.2 近代通信方式,图1-45电磁波谱,1.3.2 近代通信方式,如果把每个波段的频率由低至高依次排列的话，它们是工频电磁波、无

37、线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线及射线。以无线电的波长最长，宇宙射线的波长最短。,1.3.2 近代通信方式,4）马可尼的幻想 1895年夏天，马可尼在实验室与1.7公里远的山丘之间成功地进行了通报试验。马可尼第一个实验用的无线电报发报装置如图1-46，当按下发报机中的莫尔斯电键时，就会在两金属球之间产生连串放电火花。,1.3.2 近代通信方式,因为在按下电键的瞬间，线圈两端出现了较高的感应电压，从而在两小球的间隙迸发出一连串电火花。这些电火花所产生的振荡通过发射天线向外界发射出电磁波。,图1-46 无线电报发报射装置,这里马可尼将一根很长的导线挂在竹竿上，作为接收电磁波的天线。天线的一端

38、与一个称为粉末检波器的东西相连接，后者的另一端接地。,1.3.2 近代通信方式,当电磁波传播到接收地点时（图1-47），根据电磁感应原理，接收天线周围空间迅速变化的电磁场将在天线上激起感应电动势，这时粉末检波器将成为导电的，因而在与电池串接的电报机中将有电流流过，并开始工作在自动移动的纸带上划出电码段。,图1-47无线电报收报装置,1.3.2 近代通信方式,无线电报为人类通信技术开辟了一个崭新的领域。1895年，马可尼发明无线电设备（图1-48）开创了无线电通信发展的道路。,图1-48 马克尼发明无线电报器,1.3.2 近代通信方式,5)广播与电视的发明1906年12月24日圣诞节前夕，在美国

39、新英格兰海岸附近穿梭往来的船只上，报务员们听到的就是人类历史上第一次试验性的无线电广播，它是由加拿大出生的物理学家费森登（图1-49）主持和组织，并从他的实验室里播出的。,图1-49 物理学家费森登,1.3.2 近代通信方式,费森登是最早研究无线电广播的先驱者之一。1900年，他初次萌生了用无线电传达人声的设想。两年以后，他建立了专门的实验室，研究如何将人的声音加到无线电波上去。费森登花了整整四年时间才完成他的第一套简易的广播发射装置，做成了特殊的高频交流发射机，并设计出了一种系统，用来调制电波振幅，使它能携带各种声音信号。,1.3.2 近代通信方式,发射,接收,图1-50 无线电广播的工作过

40、程,1.3.2 近代通信方式,上世纪初期，无线电技术广泛运用于通讯和广播以后，世界上许多科学家都在着手研究电视机。1906年，18岁的英国青年贝尔德（图1-51）雄心勃勃，开始研究电视机。1925年10月2日，贝尔德的实验有了突破，他将一个人的图像发射到了屏幕上，而且十分逼真，眼睛、嘴巴甚至眉毛和头发都清晰可见。一架有实用意义的电视机宣告诞生了（图1-52）。,1.3.2 近代通信方式,图1-51电视发明人贝尔德,图1-52人类第一台电视机,1.3.2 近代通信方式,1927年，英国广播公司试播了30行机械式电视，从此便开始了电视广播的历史。1935年，英国广播公司用电子扫描式电视取代了贝尔德

41、发明的机械扫描式电视，这标志着一个新时代由此开始（图1-52）。,图1-52贝尔德1930年在英国制造的、第一台向公众出售的电视机,1.3.2 近代通信方式,电视图像信号的传输过程首先由摄像机将图像变成电信号，加到高频载波上，由天线发射；接收端电视机利用天线将调制信号接收下来，通过解调由显像管还原成图像。,图 1-53 电视信号的传输过程,1.3.2 近代通信方式,中国古代发明的算盘被认为是计算机的鼻祖，在大约六、七百年前，中国人开始用算盘处理数据计算问题；在十七世纪，人们先后发明了各种可处理简单数值计算的机械计算机；1946 年John W.Mauchly 和J.Presper Eckert

42、领导完成了世界上第一台数字电子计算机ENIAC(Electronic Numerical Integrator And Computer)，开创了人类的电子计算机时代。,1.4 计算机的发展,1.4 计算机的发展,1.4.1 机械计算机的诞生1.4.2 电子计算机诞生1.4.3 晶体管计算机的发展1.4.4 集成电路为现代计算机铺平道路1.4.5 当代计算机渐入辉煌1.4.6 计算机发展中的重要任务,1.4.1 机械计算机的诞生,1623年， Wilhelm Schickard制作了一个能进行六位以内数加减法；1625年， William Oughtred 发明计算尺；1642至1643年，巴

43、斯卡(Blaise Pascal)发明了齿轮式加减器; 1673年德国数学家莱布尼兹（G.N.Won Leibniz）在帕斯卡的齿轮加减器上增加了乘、除法，制成了能进行四则运算的机械式运算器（乘法计算机）；,1822年和1834年英国数学家Charles Babage 先后设计 了差分机与分析机；1888年，美国人赫尔曼霍勒斯发明了制表机。,1.4.1 机械计算机的诞生,(a)六位以内数加减法,(b)机械加法器,(c)乘法计算机,(d)差分机,(e)分析机,(f)霍勒斯制表机,早期的机械计算机,1.4.2 电子计算机诞生,1938年，德国科学家Zuse制造出Z-1计算机，这是第一台采用二进制的

44、计算机。 1943年，英国科学家研制成功第一台“巨人”计算机，专门用于破译德军密码。 1944年，霍华德艾肯（Howard Aiken）等研制出了机电式自动顺序控制计算机MARK I，这是世界上最早的通用型自动机电式计算机之一， 1946年2月15日，世界上第一台通用数字电子计算机ENIAC研制成功。,第一代(1946-1956)电子计算器都以真空管为主要组件，运算速度已达到每秒几万次。,1.4.2 电子计算机诞生,(a)形计算机,(b)“巨人”（Colossus,(c) MARK-I,(d)ENIAC,图1-54 电子计算机的演进,1.4.3 晶体管计算机的发展,1948年，晶体管的发明大大

45、促进了计算机的发展，1956年，晶体管在计算机中使用，晶体管和磁芯存储器导致了第二代计算机（19591965年）的产生。第二代计算机体积小、速度快、功耗低、性能更稳定。1955年，贝尔实验室研制出世界上第一台全晶体管计算机TRADIC， 装有800只晶体管，仅100瓦功率，占地也只有3立方英尺。,1.4.3 晶体管计算机的发展,图1-57第二代计算机TRADIC,1.4.4 集成电路为现代计算机铺平道路,1958年德州仪器的工程师Jack Kilby发明了集成电路(IC)。1961年美国德克萨斯仪器公司与美国军方合作，研制出第一台试验型半导体集成电路作为主要电子器件的集成电路电子计算机。196

46、4年IBM生产出了由混合集成电路制成的IBM 350系统，这成为第三代计算机（19651971）的主要里程碑。1964年，美国IBM公司研制成功第一个采用集成电路的通用电子计算机系列IBM360系统。,图1-62 IBM360,1.4.4 集成电路为现代计算机铺平道路,1.4.5 当代计算机渐入辉煌,1971年美国Intel公司生产了第一块单片微处理器Intel4004，同时INTER公司用其组成了世界上第一台微机MSC-，这标志第四代计算机的产生。中央处理器CPU高度集成是这一代微机的主要特征。,为适应未来社会信息化的要求, 科学家们提出了第五代计算机。第五代电子计算机是智能电子计算机，它是

47、一种有知识，会学习，能推理的计算机。突破了传统的诺伊曼式机器的概念，舍弃了二进制结构，把许多处理机并联起来，并行处理信息，速度大大提高。,计算机的发展趋向主要表现在巨型化、微型化、多媒体、网络化、智能化以及非冯诺依曼式计算机。,(a)微型化计算机,(b)超级计算机(CRAY-),(d) 中国超级计算机银河,图1-63 各种形式的计算机,1.4.5 当代计算机渐入辉煌,1.4.5 计算机发展中的重要人物,1）布尔（逻辑代数）创立了一门全新的学科布尔代数，为百年后出现的数字计算机的开关电路设计提供了重要的数学方法和理论基础。,布尔,1.4.5 计算机发展中的重要人物,2）阿塔纳索夫（计算机三原则）

48、1939年，阿塔纳索夫提出了计算机的三原则，即现代电子计算机所依据的三条基本原则。并于1939年和其同事研制出第一台数字计算机的模型。,阿塔纳索夫,1.4.5 计算机发展中的重要人物,3）图灵（图灵机）提出思考实验原理计算机概念，并提出计算机史上与“冯诺依曼机器”齐名的“图灵机”抽象计算模型。4）维纳提出来现代计算机设计的五条原则。,图灵,维纳,1.4.5 计算机发展中的重要人物,5）冯诺依曼（现代电子计算机之父） 冯诺依曼和同事们依据此原理设计出了一个完整的现代计算机雏形，并确定了存储程序计算机的五大组成部分和基本工作方法。冯诺依曼的这一设计思想被誉为计算机发展史上的里程碑，标志着计算机时代

49、的真正开始。,冯诺依曼,1.4.5 计算机发展中的重要人物,6）香侬（计算机开关电路） 香侬首次用布尔代数进行开关电路分析，并证明布尔代数的逻辑运算可以通过继电器电路来实现，明确地给出了实现加、减、乘、除等运算的电子电路的设计方法。,香农,1.5自动控制理论的发展,1.5.1 经典(自动)控制理论1.萌芽阶段 古代人类在长期生产和生活中，为了减轻自己的劳动，逐渐产生利用自然界动力代替人力畜力，以及用自动装置代替人的部分繁难的脑力活动的愿望，经过漫长岁月的探索，他们互不相关地造出一些原始的自动装置,(a) 铜漏壶 (b)三级漏壶 自动计时装置漏壶,指南车外形,指南车模型,水运仪象台结构示意图,2

50、. 起步阶段 随着工业革命在英国的出现，对动力的需求大增；其中最卓越的代表是瓦特发明的蒸汽机离心调速器（图1-69），加速了第一次工业革命的步伐。 我们都知道，蒸汽机的作用是将煤燃烧产生的热能转换为机械动能；它既可以作为轮船、火车的动力，也可以作为煤矿抽水的动力，还可以作为纺织机的动力。,英国科学家瓦特和所发明的蒸汽机,3. 发展阶段 1868年马克斯韦尔（J.C.Maxwell）解决了蒸汽机调速系统中出现的剧烈振荡的不稳定问题，他通过系统分析发表了反馈控制系统的稳定性的研究论文，提出用特征方程的系数来判断系统稳定性，Maxwell的工作开创了控制理论研究的先河。,4. 标志性阶段 1948年