電子技術發(fā)展歷程與發(fā)展方向

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1、電子技術與工程實踐 課 程 性 質 面 向 非 工 科 類 學 生 的 通 識 課 ， 是 對 電 子 技 術 基 礎入 門 性 質 的 課 程 。課 程 目 的1、 培 養(yǎng) 學 生 的 科 學 精 神 及 素 養(yǎng) ， 培 養(yǎng) 學 生 的 實 事 求是 、 獨 立 思 考 、 理 論 聯(lián) 系 實 際 的 能 力 。2、 掌 握 基 本 的 電 工 知 識 ， 基 本 的 電 子 電 路 的 分 析 和設 計 方 法 。3、 掌 握 常 用 的 電 子 儀 器 使 用 方 法 ， 熟 悉 簡 單 電 子 電路 的 安 裝 、 調 試 方 法 步 驟4、 具 有 一 定 的 閱 圖 能 力 ， 具

2、 有 一 定 的 查 閱 器 件 的 能力 ， 具 有 一 定 的 分 析 設 計 綜 合 電 路 的 能 力 。 一 、 電 子 技 術 的 發(fā) 展二 、 電 路 基 礎 知 識五 、 電 子 器 件 及 測 量三 、 數(shù) 字 電 路 入 門四 、 模 擬 電 路 入 門講 課 內 容 ：六 、 電 子 電 路 綜 合 應 用 學 習 方 法1、 轉 變 學 習 方 法 ， 采 用 工 程 觀 點 ， 學 會 合 理 的 估 算 。2、 掌 握 基 本 的 理 論 知 識 ， 掌 握 基 本 電 路 的 分 析 方 法 。3、 掌 握 常 用 電 子 元 器 件 的 外 特 性 、 基 本

3、功 能 及 基 本 應 用 。4、 掌 握 常 用 電 子 電 路 的 功 能 、 基 本 分 析 設 計 方 法 。5、 要 勇 于 實 踐 ， 具 有 一 定 的 好 奇 心 ， 要 有 良 好 的 自 學 能 力 。 一 什 么 是 電 子 技 術 電 子 技 術 是 十 九 世 紀 末 、 二 十 世 紀 初 開 始 發(fā) 展 起 來 的 新 興 技 術 ， 二 十 世 紀發(fā) 展 最 迅 速 ， 應 用 最 廣 泛 ， 成 為 近 代 科 學 技 術 發(fā) 展 的 一 個 重 要 標 志 。 進 入 21世紀 ， 第 五 代 微 處 理 器 與 互 聯(lián) 網 誕 生 人 類 進 入 了 電

4、子 智 能 化 與 信 息 時 代 。 電 子 技 術 的 發(fā) 展 ， 推 動 計 算 機 技 術 的 發(fā) 展 ， 使 之 “ 無 孔 不 入 ” ， 應 用 廣 泛 ！廣 播 通 信 ： 發(fā) 射 機 、 接 收 機 、 擴 音 、 錄 音 、 程 控 交 換 機 、 電 話 、 手 機網 絡 ： 路 由 器 、 ATM交 換 機 、 收 發(fā) 器 、 調 制 解 調 器工 業(yè) ： 鋼 鐵 、 石 油 化 工 、 機 加 工 、 數(shù) 控 機 床交 通 ： 飛 機 、 火 車 、 輪 船 、 汽 車軍 事 ： 雷 達 、 電 子 導 航航 空 航 天 ： 衛(wèi) 星 定 位 、 航 天 飛 機 、 宇

5、 宙 探 測 儀 醫(yī) 學 ： 刀 、 CT、 B超 、 微 創(chuàng) 手 術消 費 類 電 子 ： 家 電 （ 空 調 、 冰 箱 、 電 視 、 音 響 、 攝 像 機 、 照 相 機 、 電 子 表 ） 、電 子 玩 具 、 各 類 報 警 器 、 保 安 系 統(tǒng) 電 子 技 術 是 研 究 具 有 電 子 器 件 的 電 路 及 其 應 用 的 一 門 學 科 一 電 子 器 件 電 子 管 - 晶 體 管 - 集 成 電 路1947年晶 體 管 誕 生 1958年 集 成 電 路研 制 成 功1904年電 子 管 問 世 l 電 子 管 時 代 （ 1905 1948） 為 現(xiàn) 代 技 術

6、采 取 了 決 定 性 步 驟主 要 大 事 記1905年 愛 因 斯 坦 闡 述 相 對 論 E mc 2 真空電子管 1906年 亞 歷 山 德 森 研 制 成 高頻 交 流 發(fā) 電 機 德 福 雷 斯 特 在 弗 菜 明 二 極 管 上 加 柵 極 ，制 造 第 一 只 電 子 三 極 管 1912年 阿 諾 德 和 蘭 米 爾 研 制出 高 真 空 電 子 管 1917年 坎 貝 爾 研 制 成 濾 波 器 表 面 聲 波 濾 波 器 1922年 弗 里 斯 研 制 成 第 一臺 超 外 差 無 線 電 收 音 機 1934年 勞 倫 斯 研 制 成 回 旋 加速 器 1940年 帕

7、全 森 和 洛 弗 爾 研 制成 電 子 模 擬 計 算 機 l 晶 體 管 時 代 （ 1948 1959） 宇 宙 空 間 的 探 索 即 將 開 始晶 體 管 發(fā) 明 后 的 60年 ， 世 界的 電 子 信 息 產 業(yè) 發(fā) 生 了 翻 天覆 地 的 變 化 ， 極 大 地 豐 富 了人 民 的 物 質 和 文 化 生 活 。 讓我 們 一 起 來 閱 讀 這 段 60年 前的 歷 史 。 1947年 貝 爾 實 驗 室 的 巴 丁 、布 拉 頓 和 肖 克 萊 研 制 成 第一 個 點 接 觸 型 晶 體 管 1948年 貝 爾 實 驗 室 的 香 農 發(fā)表 信 息 論 的 論 文 1

8、950年 麻 省 理 工 學 院 的 福 雷斯 特 研 制 成 磁 心 存 儲 器 1952年 美 國 爆 炸 第 一 顆 氫 彈 1954年 貝 爾 實 驗 室 研 制太 陽 能 電 池 和 單 晶 硅 1957年 蘇 聯(lián) 發(fā) 射 第 一 顆 人 造 地 球 衛(wèi) 星 1958年 諾 伊 斯 宣 布 制成 第 一 塊 集 成 電 路 （ 左圖 ） 1958年 9月 12日 ， 在 德 州 儀 器 公 司 的 實 驗 室 里 ， 實現(xiàn) 了 把 電 子 器 件 集 成 在 一 塊 半 導 體 材 料 上 的 構 想 。42年 以 后 ， 2000年 獲 諾 貝 爾 物 理 學 獎 。 “ 為 現(xiàn)

9、代 信息 技 術 奠 定 了 基 礎 ” 。 時 期 規(guī) 模 集 成 度（ 元 件 數(shù) ）50年 代 末 小 規(guī) 模 集 成 電 路 （ SSI） 10060年 代 中 規(guī) 模 集 成 電 路 （ MSI） 100070年 代 大 規(guī) 模 集 成 電 路 （ LSI） 100070年 代 末 超 大 規(guī) 模 集 成 電 路 （ VLSI） 1000080年 代 特 大 規(guī) 模 集 成 電 路 （ ULSI） 100000 自 1958年 第 一 塊 集 成 元件 問 世 以 來 ， 集 成 電 路 已 經 跨越 了 小 、 中 、 大 、 超 大 、 特 大 、巨 大 規(guī) 模 幾 個 臺 階

10、， 集 成 度 平均 每 2年 提 高 近 3倍 。 隨 著 集 成度 的 提 高 ， 器 件 尺 寸 不 斷 減 小 。 1985年 ， 1兆 位 ULSI的 集 成 度 達 到 200萬 個 元 件 ， 器 件 條 寬 僅 為 1微 米 ；1992年 ， 16兆 位 的 芯 片 集 成 度 達 到 了 3200萬 個 元 件 ， 條 寬 減 到 0.5微 米 ， 而 后的 64兆 位 芯 片 ， 其 條 寬 僅 為 0.3微 米 。 集 成 電 路 制 造 技 術 的 發(fā) 展 日 新 月 異 ， 其 中 最 具 有 代 表 性 的 集 成電 路 芯 片 主 要 包 括 以 下 幾 類 ，

11、它 們 構 成 了 現(xiàn) 代 數(shù) 字 系 統(tǒng) 的 基 石 ?？?編 程 邏 輯 器 件 （ PLD）微 控 制 芯 片 （ MCU）數(shù) 字 信 號 處 理 器 （ DSP） 大 規(guī) 模 存 儲 芯 片 （ RAM/ROM） 幾 類 常 用 微 控 制 器 芯 片 簡 介單 片 機 （ MCU) 作 為 最 簡 單 使 用 的 微 控 制 芯 片 ， 單 片 機 在當 今 的 控 制 領 域 占 據(jù) 了 一 定 得 份 額 ， 由 于 其 入門 快 ， 實 用 性 強 ， 很 多 工 科 學 生 以 把 它 作 為 一門 技 藝 ， 在 每 年 的 電 子 設 計 大 賽 中 ， 單 片 機 都是

12、 首 選 控 制 芯 片 。 目 前 單 片 機 領 域 幾 大 供 應 廠 商 為 ： ATMEL公 司 ， 其 典 型 的 代 表 產 品 就 是 我 們 常 用 的AT89S52和 ATmega16； TI公 司 ， 其 典 型 的 代 表是 目 前 功 耗 最 低 的 微 控 制 器 ， MSP430類 單 片 機 ；飛 思 卡 爾 公 司 ， 其 典 型 產 品 是 MC9S12系 列 單 片 機 ， 目 前 在 我 們 很 熟 知 額 智 能 車 大 賽 中 廣 為 使用 ； 凌 陽 公 司 ， 其 單 片 機 轉 為 大 學 生 而 設 計 ，簡 單 易 學 ， 曾 贊 助 過

13、山 東 省 電 子 設 計 大 賽 。 51單 片 機 最 小 系 統(tǒng) 板 單片機的非富多彩的應用用 AT89S51單 片 機 制 作 紅 外 電視 遙 控 器 用 凌 陽 單 片 機 做 的 音 控小 車 飛 思 卡 爾 智 能 車用 MSP430單 片 機 做的 atm安 全 警 示 系 統(tǒng) 嵌 入 式 處 理 器 (Micro Processor Unit， MPU) 嵌 入 式 處 理 器 是 介 于 小 型 簡 單 控 制器 單 片 機 ， 和 大 型 多 功 能 處 理 器 計 算機 之 間 的 一 種 處 理 器 ， 其 特 點 在 于 多 線 程并 行 處 理 的 能 力 和

14、良 好 的 界 面 制 作 性 能 。因 其 微 型 化 和 高 性 能 ， 嵌 入 式 處 理 器 在 目前 的 電 子 行 業(yè) 中 得 到 了 迅 猛 的 發(fā) 展 ， 也 極大 方 便 了 我 們 的 生 活 ， 我 們 使 用 的 Nokia的N73手 機 ， 其 主 控 制 器 就 是 ARM公 司 的ARM7芯 片 。 目 前 嵌 入 式 處 理 器 領 域 還 是 以 英 國 的ARM公 司 為 主 導 ， 其 生 產 的 ARM系 列 芯 片在 當 今 的 電 子 市 場 中 占 據(jù) 了 絕 大 部 分 份 額 ，現(xiàn) 在 ARM11芯 片 以 出 產 。 我 們 中 國 的 周

15、立功 公 司 Easy ARM系 列 的 嵌 入 式 處 理 器 也 具 有 很 廣 泛 的 應 用 。 另 外 ， 嵌 入 式 技 術 在 目 前 的 電 子 行 業(yè)正 處 于 高 速 發(fā) 展 的 時 期 ， 有 興 趣 的 同 學 可以 投 入 這 一 領 域 ， 前 途 一 定 會 很 光 明 。 除 微 控 制 器 之 外 ， 可 編 程 邏 輯 器 件 和 數(shù) 字 信 號 處 理 器 也 是 高 性能 的 集 成 電 路 ， 由 于 其 優(yōu) 越 的 特 性 ， 都 得 到 了 一 定 程 度 的 應 用 ，下 面 讓 我 們 認 識 一 下 它 們 可 編 程 邏 輯 器 件 借 助

16、 于 其 并 行性 和 高 速 性 ， 在 集 成 電 路 領 域 得 到了 廣 泛 應 用 ， 由 于 其 用 程 序 的 方 式實 現(xiàn) 了 硬 件 電 路 的 設 計 ， 保 密 性 能遠 高 于 普 通 模 擬 、 數(shù) 字 器 件 ， 因 此CPLD/FPGA（ 可 編 程 邏 輯 器 件 ） 越來 越 受 到 公 司 的 喜 愛 。 現(xiàn) 在 世 界 上 三 大 FPGA生 產 廠商 ， 年 頭 最 久 的 “ 老 大 哥 ” ALTERA，極 具 沖 勁 的 XILINX以 及 LATTICE公司 ， 他 們 的 FPGA有 極 高 的 性 能 ， 得 到 廣 泛 應 用 。 XILI

17、NX公 司 贊 助 了 今 年 的 山東 省 電 子 設 計 大 賽 。 FPGA的 學 生 普及 度 正 在 增 加 。 數(shù) 字 信 號 處 理 器 DSP主 要 應 用 在 信 號 處 理 領 域 ， 其 多 總 線 的 構 架 使 其具 有 極 快 的 運 算 速 度 。 TI公 司 是 當 今 世 界 上 做 DSP比 較 好 的 公 司 ， 除 此 之外 ， AD公 司 、 MAXIM公 司 等 也 有 高 性 能 的 DSP。ALTERA的 FPGA開發(fā) 板 聲 道 DSP音 響 技 術 FPGA控 制 小 車 用 FPGA制 作 的 DDS函 數(shù) 信號 發(fā) 生 器 ENIAC第

18、一 代 （ 1946 1957） 電 子 管 計 算 機 時 代 ： 它 的基 本 電 子 元 件 是 電 子 管 ， 內 存 儲 器 采 用 水 銀 延 遲線 ， 外 存 儲 器 主 要 采 用 磁 鼓 、 紙 帶 、 卡 片 、 磁 帶等 。 由 于 當 時 電 子 技 術 的 限 制 ， 運 算 速 度 只 是 每秒 幾 千 次 幾 萬 次 基 本 運 算 ， 內 存 容 量 僅 幾 千 個 字 。程 序 語 言 處 于 最 低 階 段 ， 主 要 使 用 二 進 制 表 示 的機 器 語 言 編 程 ， 后 階 段 采 用 匯 編 語 言 進 行 程 序 設計 。 體 積 大 ， 耗

19、電 多 ， 速 度 低 ， 造 價 高 ， 使 用 不便 ， 主 要 局 限 于 一 些 軍 事 和 科 研 部 門 進 行 科 學 計算 。 （ ENIAC） 電 子 管 計 算 機 晶 體 管 計 算 機 集 成 電 路 計 算 機 大 規(guī) 模 集成 電 路 計 算 機 第 二 代 （ 1958 1963） 晶 體 管 計 算 機 時代 ： 它 的 基 本 電 子 元 件 是 晶 體 管 ， 內 存儲 器 大 量 使 用 磁 性 材 料 制 成 的 磁 芯 存 儲器 。 與 第 一 代 電 子 管 計 算 機 相 比 ， 晶 體管 計 算 機 體 積 小 ， 耗 電 少 ， 成 本 低 ，

20、 邏輯 功 能 強 ， 使 用 方 便 ， 可 靠 性 高 。（ IBM 7090） IBM 7090第 三 代 （ 1964 1970） 集 成 電 路 計 算 機時 代 ： 它 的 基 本 元 件 是 小 規(guī) 模 集 成 電 路和 中 規(guī) 模 集 成 電 路 ， 磁 芯 存 儲 器 進 一 步發(fā) 展 ， 并 開 始 采 用 性 能 更 好 的 半 導 體 存儲 器 ， 運 算 速 度 提 高 到 每 秒 幾 十 萬 次 基 本 運 算 。 由 于 采 用 了 集 成 電 路 ， 第 三 代計 算 機 各 方 面 性 能 都 有 了 極 大 提 高 ： 體積 縮 小 ， 價 格 降 低 ，

21、功 能 增 強 ， 可 靠 性大 大 提 高 。 （ IBM 360系 列 為 代 表 ） IBM 360 晶 體 管 計 算 機 第 四 代 （ 1971 ） 大 規(guī) 模 集 成 電 路 計 算 機 時 代 ： 它 的 基 本 元 件 是 大 規(guī)模 集 成 電 路 ， 甚 至 超 大 規(guī) 模 集 成 電 路 ， 集 成 度 很 高 的 半 導 體 存 儲 器 替代 了 磁 芯 存 儲 器 ， 運 算 速 度 可 達 每 秒 幾 百 萬 次 ， 甚 至 上 億 次 基 本 運 算 。具 有 體 積 小 、 功 能 強 、 可 靠 性 高 等 特 點 。 品 牌 電 腦知 道 中 國 現(xiàn) 在 運

22、 算 速度 最 快 的 電 腦 嗎 ？ 中 國 國 防 科 技 大 學 研 制 成 功 的 中 國 運 算 速度 最 快 的 超 級 計 算 機 “天 河 一 號 ” ， 每 秒 峰 值 運 算 速 度 逾 千 萬 億 次 ， 可 與 目 前 世界 上 最 強 大 的 計 算 機 比 肩 。 這 使 得 中 國 成為 繼 美 國 之 后 第 二 個 能 研 制 千 萬 億 次 計 算機 的 國 家 。 電 子 設 計 自 動 化 技 術 的 核 心 就 是 EDA技 術 。 EDA是 指 以 計 算 機 為 工 作 平 臺 ，融 合 應 用 電 子 技 術 、 計 算 機 技 術 、 智 能

23、化 技 術 最 新 成 果 而 研 制 成 的 電 子 CAD通 用軟 件 包 ， 主 要 能 輔 助 進 行 三 方 面 的 設 計 工 作 ， 即 IC設 計 、 電 子 電 路 設 計 和 PCB設計 。ARM開 發(fā) 板 淺 談 IC設 計IC設 計 ， Integrated Circuit Design， 或稱 為 集 成 電 路 設 計 ， 是 電 子 工 程 學 和 計算 機 工 程 學 的 一 個 學 科 ， 其 主 要 內 容 是運 用 專 業(yè) 的 邏 輯 和 電 路 設 計 技 術 設 計 集成 電 路 （ IC） 。 IC設 計 涉 及 硬 件 軟 件 兩 方 面 專 業(yè)

24、知 識 。硬 件 包 括 數(shù) 字 邏 輯 電 路 的 原 理 和 應 用 、模 擬 電 路 、 高 頻 電 路 等 。 軟 件 包 括 基 礎的 數(shù) 字 邏 輯 描 述 語 言 ， 如 VHDL等 ， 微機 匯 編 語 言 及 C語 言 。 電 子 電 路 設 計電 路 （ 電 子 線 路 ） 是 由 電 氣 設 備 和 元 器件 按 一 定 方 式 聯(lián) 接 起 來 ， 為 電 流 流 通 提供 了 路 徑 的 總 體 ， 也 叫 電 子 網 路 。 電 路的 大 小 可 以 相 差 很 大 ， 小 到 硅 片 上 的 集成 電 路 ， 大 到 輸 電 網 。 根 據(jù) 所 處 理 信 號的 不

25、 同 ， 電 子 電 路 可 以 分 為 模 擬 電 路 和數(shù) 字 電 路 。 電 路 設 計 是 指 通 過 一 定 規(guī)則 和 方 法 設 計 出 的 電 路 。 PCB設 計印 制 電 路 板 的 設 計 是 以 電 路 原 理 圖 為 根據(jù) ， 實 現(xiàn) 電 路 設 計 者 所 需 要 的 功 能 。 目 前 通 常 用 protel、 POWERPCB等 軟 件實 現(xiàn) 電 路 板 的 繪 制 。 EDA技 術 發(fā) 展 的 三 個 階 段 ：計 算 機 輔 助 設 計 (CAD)階 段 （ 70年 代 ） ： 用 計 算 機 輔 助 進 行 IC版 圖 編輯 、 PCB布 局 布 線 ，

26、取 代 了 手 工 操 作 。計 算 機 輔 助 工 程 (CAE)階 段 （ 80年 代 ） ： 與 CAD相 比 ， CAE除 了 有純 粹 的 圖 形 繪 制 功 能 外 ， 又 增 加 了 電 路 功 能 設 計 和 結 構 設 計 ， 并且 通 過 電 氣 連 接 網 絡 表 將 兩 者 結 合 在 一 起 ， 實 現(xiàn) 了 工 程 設 計 。 CAE的 主 要 功 能 是 ： 原 理 圖 輸 入 ， 邏 輯 仿 真 ， 電 路 分 析 ， 自 動 布 局 布線 ， PCB后 分 析 。電 子 系 統(tǒng) 設 計 自 動 化 (ESDA)階 段 （ 90年 代 以 后 ） ： 設 計 人

27、員 按 照“ 自 頂 向 下 ” 的 設 計 方 法 ， 對 整 個 系 統(tǒng) 進 行 方 案 設 計 和 功 能 劃 分 ，系 統(tǒng) 的 關 鍵 電 路 用 一 片 或 幾 片 專 用 集 成 電 路 （ ASIC） 實 現(xiàn) ， 然 后采 用 硬 件 描 述 語 言 （ HDL） 完 成 系 統(tǒng) 行 為 級 設 計 ， 最 后 通 過 綜 合 器 和 適 配 器 生 成 最 終 的 目 標 納 米 電 子 學 主 要 在 納 米 尺 度 空 間 內 研 究 電 子 、 原 子 和 分 子 運 動 規(guī) 律 和特 性 ， 研 究 納 米 尺 度 空 間 內 的 納 米 膜 、 納 米 線 。 納 米

28、 點 和 納 米 點 陣 構 成 的基 于 量 子 特 性 的 納 米 電 子 器 件 的 電 子 學 功 能 、 特 性 以 及 加 工 組 裝 技 術 。 其性 能 涉 及 放 大 、 振 蕩 、 脈 沖 技 術 、 運 算 處 理 和 讀 寫 等 基 本 問 題 。 其 新 原 理主 要 基 于 電 子 的 波 動 性 、 電 子 的 量 子 隧 道 效 應 、 電 子 能 級 的 不 連 續(xù) 性 、 量子 尺 寸 效 應 和 統(tǒng) 計 漲 落 特 性 等 。 從 微 電 子 技 術 到 納 米 電 子 器 件 將 是 電 子 器 件 發(fā) 展 的 第 二 次 變 革 ， 與 從真 空 管

29、到 晶 體 管 的 第 一 次 變 革 相 比 ， 它 含 有 更 深 刻 的 理 論 意 義 和 豐 富 的 科 技內 容 。 在 這 次 變 革 中 ， 傳 統(tǒng) 理 論 將 不 再 適 用 ， 需 要 發(fā) 展 新 的 理 論 ， 并 探 索 出相 應 的 材 料 和 技 術 。 六 十 年 代 世 界 上 第 一 個 晶 體 管 誕 生 人 類 進 入 了 半 導 體 時 代七 十 年 代 集 成 電 路 誕 生 人 類 進 入 了 微 電 子 時 代八 十 年 代 微 處 理 器 誕 生 人 類 進 入 了 數(shù) 字 技 術 時 代九 十 年 代 個 人 電 腦 誕 生 人 類 進 入 了 數(shù) 字 化 時 代二 十 一 世 紀 第 五 代 微 處 理 器 與 互 聯(lián) 網 誕 生 人 類 進 入 了 電 子智 能 化 與 信 息 時 代時 代 的 飛 躍