电子信息专业导论

电子信息技技术阿麦奇.南朗斯基.孔哲修Abmaighy电子信息技术电子信息技术发展史信息技术（IT）以为微电子和光电技术为基础，以计算机和通信技术为支撑，以信息处理为主题的技术系统的总称，是一们综合性的技术。信息处理技术指信息科学的原理与方法，有效地实现信息的获取、存储、传递、处理等技术。包括传感技术、通信技术、计算技术和控制技术等。处理环节、信息采集技术、信息传递技术和信息处理技术。信息技术可以是：机械的、激光的、电子的、生物的。电子技术、传感技术、信息处理技术、通信技术、自动控制技术和控制技术。电子信息技术发展史：摩擦起电机再到感应器电机，1660年马德堡的盖利克库伦扭秤，1780意大利伽伐尼电流（神经上的生物电），1745年荷兰穆申布鲁克发明保存静电的莱顿瓶，18世纪意大利伏打发明伏打电池（化学电池），1820安培发现电流，1831年法拉第电磁感应，1825年德国欧姆的欧姆定理，麦克斯韦方程组

电磁波的发现，1873年赫兹实验。第一次以电磁波传递信息是1896意大利马可尼，1901年发送到美国。1897年英国汤姆孙发现电子，1904年英国弗莱明发明电子管，1906美国德福累斯特发明真空三极管，1947年美国三位科学家巴丁、肖克莱、布拉顿发明晶体管转换电阻，1956年德国德马提出集成电路思想，1961年半导体问世（硅、锗）美得州仪器公司的基尔比生产出第一块集成电路，并1961年大量生产大量生产集成电路。通信技术发展我国早期：原始社会狩猎呐喊、狼烟、信鸽、驿站。近代：模拟到数字，系统到网络，窄带的宽带，人工到智能。1837年莫尔斯发明了有线电报，称为莫尔斯电报。1876年英国的贝尔发明了有线电话。1895年马可尼发明了无线电报机。1906年加拿大科学家费森登是最早研究无线电广播的先驱者之一。1925年18岁的英国青年贝尔德发明了机械式扫描电视-----电视机诞生。1935年英国广播公司生产出电子扫描式电视机而取代机械式扫描电视机。现代通信技术实际上是通信系统和通信网络的技术，其中通信技术是指一切技术设备和传输媒介，通信网是指许多通信系统组成的多点互通设施。现代通信设备有数字通信技术、程控交换技术、信息传输技术、通信网络技术、数据通信与数据网、ISDN与ATM技术、宽带IP技术、接入网与接入技术等。数字通信：传输数字信号的技术（最主要通信技术基础广泛用于现代通信网各种通信系统）。程控交换技术：专用于电子计算机据需要把预先编好的程序存入计算机后完成通信的各种交换。信息传输技术：光纤技术、数字微波通信、卫星通信、移动通信及图像通信。通信网分为：电话网、支撑网和智能网。信息分为语音、数据、图像三大类。ISDN综合业务数字网，数字电话网络国际标准，一种典型的电路交换系统。ATM（数据传输技术）为多种业务设计、通用、面向连接的传输模型。宽带IP网络是分层的、物理承载可以是IPoverDWDM、IPoverSDH、IPoverATM等多种形式。接入网是指骨干网络到客户终端之间所有设备，方式接入包括铜线（普通电话线）接入、光纤接入、光线固轴电缆（有线电视电缆）混合接入、无线接入和以太网接入等。21世纪通信网络将向着宽带化、智能化、个人化的综合业务数字数字网技术的方向发展。全程数字化是以数字信号传输、无模拟信号的；宽带不仅能传输低速的窄带信息（指通信速率小于等于64kb/s或2mb/s的通信网，还能传输高速信息如电影等。智能化（智能网）触传递和交换信息外还可以存储、处理和灵活的控制信息。综合化是指技术综合和业务综合。计算机的发展1946年莫奇利和动虞科特完成第一台数字电子计算机ENIAC。机械计算机的发展1623年谢卡特---计算钟1625年奥特雷特-----计算尺1642—1643帕斯卡—齿轮式加减器1673德国数学家莱布尼茨-----机械式运算器1822英国数学家Charles.巴贝奇----差分机还有1834年---分析机1888年美国人赫尔曼.霍勒斯---制表机(霍勒斯制表机）1938年德国科学家朱斯---Z-1计算机（二进制计算机）1938—1942年Zuse----采用继电器Z-2、Z-31944霍华德.艾肯---电机式自动顺序控制计算机MARK-119460215----数字电子计算机ENIAC1971美国Intel公司----微机MSC-4自动控制技术理论的发展萌芽：经典自动控制理论指南针或司南车----水运仪象台起步：瓦特蒸汽机----离心调速器发展：系统----反馈----反馈控制方法。相应数学有高阶微分方程、线性系统（或非线性系统）、复变函数、根轨迹分析法、传递函数等。194/8年美国数学家维纳提出控制论。现代控制理论的形成和发展1956年苏联数学家庞特里亚金д.C提出极大值原理，童年美国数学家贝尔曼创态规划魏书灾难文问题。1959年美数学家卡尔曼R.E---卡尔曼录波器，1960年又提出能控制、能观测性结构概念、状态空间法、二次型性能指标的线性系统状态反馈律。条件：现代数学（泛函分析和现代代数）和数字计算机，大系统理论（对象具有规模庞大、结构复杂功能综合、目标多样、因素众多，是一个多输入、多输出、多干扰、多变量的系统如：电力系统、城市交通、数字通信网、柔性制造系统、生态系统、水源系统、社会系统等）、智能控制理论（以控制理论、计算机科学、人工智能、运筹学等科学为基础，有模糊逻辑、神经网络、专家系统、遗传算法等理论有，自适应控制、自组织控制、自学习控制技术）、复杂系统理论等。传感器技术人获取外界信息途径（视觉、嗅觉、听觉、味觉、触觉）分别对应机械设备获取外界信息方式（光传感器、温度传感器或气体传感器、声音传感器、味传感器、温度传感器或压力传感器）。传感器定义指人体五官的工程模拟物，狭义非信息---电信号的传感装置。手工化----人与简单工具、机械化---动力与机械、自动化----自动测量与控制、信息化----智能机械或装置。传感器分类按基本效应分☞物理型、化学型、生物型；传感机理☞结构型（机械式、感应式、电参量式）、物性型（压电、热电、光电、生物、化学）、能量转换型（自源型、外源性）；作用原理☞应变式、电容式、压电式、热电式；功能性质☞固态（半导体、半导质、电介质）、光纤、膜、超导；输入量☞位移、压力、温度、流量、气体；输出量☞模拟式、数字式等。传感器的基本特征有静态性、灵敏度、重复性、稳定性。应用：力传感器、磁电传感器（话筒和智能验钞机）、温度传感器（电饭煲）、光传感器（光警报警器）、红外线传感器（测量体温和测温仪）、生物传感器（SBA-70)。传感器的发展趋势：发现新效应、开发新材料、新功能和多功能，集成化、微型化、数字化、智能化、网络化、研究生物器官、开发仿生器官。电子技术基础电路（电子线路或电气回路）模拟电路：处理连续性电信号（电压、电流)的电路，典型电路有放大电路、振荡电路、线性运算电路（加法、减法、乘法、除法、微分和积分电路）。数字电路：是以二数字逻辑为基础的、其工作信号是离散的数字信号，典型电路有振荡器、寄存器、加法器、减法器、集成电路等。电路理论电路的基本功能是实现电能的传输和分配或电信号的产生、传输、处理加工及利用。理想原件有电阻、电感、电容。电源分为非独立电源（受控电源）和独立电源，其中独立电源有分为独立电压源和独立电流源如发电机、蓄电池、光电池一类。电压控制电压源（VCVS)、电流控制电压源（CCVS)，电压控制电流源（VCCS)、电流控制电流源（CCCS)。1845年德G.R基尔霍夫发现基尔霍夫定律，其指出如果电路中各个支路的电流和支路电压作为变量来看，这些变量受到两类约束。一类是电元件的特性造成的，如线性电阻元件电压和电流必需满足U=RI的关系，称为VCR;另类由元件相互连接给支路电流之间或支路电压之间带来的约束关系KCL，有时称为几何约束或拓扑约束，这类约束由基尔霍夫定律体现。基尔霍夫定律KCL指出：在集总电路中任何时刻对任一节点所有流出节点的支路电流的代数和恒等于0.沿任一回路Σi=0电路中常用定理叠加定理---线性电路定义的直接结果の戴维南定理---电压源的等效电路の诺顿定理----电流源的等效电路。模拟电子线路技术（19世纪末20世纪初兴起）电子技术无处不在，极大促进了社会发展。电子技术的发展已由分立的电子器件的组合向集成化和模块化的方向发展。纯净不惨杂质的半导体称为本征半导体，同时存在自由电子和空穴两种截流子，而杂质元素掺入的半导体称为杂质半导体。若掺入的微量元素是五价元素如P的杂质半导体叫做N型半导体，若掺入的是三价微量元素如B的半导体为P型半导体。由于空穴和自由电子均是电子粒子，所以扩散的结果是使P区和N区原来的电中性被破坏，于是在交界面的两侧形成一个不能移动的带导性电荷的离子层，乘此离子层为空间电荷区也叫耗尽层。半导体二极管分类按材料分为硅二极管、锗二极管、砷化镓二极管等，按结构分点接触型、面接触型和平面型二极管。应用有整流、稳流、限幅、钳位、检波、续流等。类型VD二极管，特殊二极管。LED分为可见光二LED和红外光LED两种。稳压管、发光二极管（LED）、光电二极管、肖特基二极管等。二极管的伏安特性正向特性和反向特征。二极管的测试反向电阻很大（几百KΩ以上）、正向电阻很小（几千Ω以下）。半导体三极管（晶体三极管）坚称晶体管或双型晶体管，有控制电流的作用或放大电流的作用。分类材料：硅管、锗管☞类型：平面性、合金型☞工作频率：高频率、低频率☞内部结构：NPN型、PNP型☞耗散功率：小功率管、大功率管☞用途：普通管、低噪声B管、功率放大管、高频管、开关管、达林顿管。当在NPN结两端加上不同极性电压，PN结会呈现出不同的导电性。PN结端接高电位、N端低电位称为PN结外加正向电位又称为PN结正向偏置简称正偏。场效应管2个PN结半导体三端器件，利用改变电场来控制半导体载流子运动，具有双极性场效应管体积小、质量轻、长寿命的优点，并有输入阻抗高、动态范围大、热稳定性能好、投辐射能力强、制造工艺简单等优点。其有栅极G、源极S、漏极D三个工作电极。分为结型场效应管、绝缘栅形场效应管等，两者有N沟道和P沟道两种导电结构。结构场效应管的结构有N沟道JFET和P沟道JFET两类。绝缘栅型场效应管（MOS管）应用于大规模和超大规模集成电路中，有N沟道增强型管、N沟道型耗尽管、P沟道型增强型管、P沟道耗尽型管四类。数字电路技术（数字系统域逻辑电路）用电子技术实现的、具有数字逻辑信号处理的电子电路。其行为特征实现逻辑模型的基础和约束条件。功能是组合逻辑电路和时序逻辑电路，集成元器件数字电路、集成数字电路，集成程度有SSS、MSI、LSI、VLSI，电路器件双极型（晶体三极管型）电路、单极性（场效应管）电路。数字电路系统集成有与门电路、或门电路、非门电路，应用组合逻辑电路、触发器和时序逻辑电路；两者指用数字逻辑电路器件所实现的逻辑表达式或真值表，有电路输出与电路原来所处状态无关特点和数据开关、逻辑代表式组合逻辑编辑器、逻辑函数发生器等基本电路模块。后者是指用数字逻辑器件实现的逻辑状态方程，有电路中存在反馈、电路输出与当前输入和电路原来状态有关的特点。基本单位触发器，常用的时序电路有寄存器、移位寄存器、计算器、序列信号发生器等。集成电路技术于1958年第一块集成器件问世开始的，它是一种微型电子器件或部件。最具有代表性的电路芯片有微控制芯片MCU、可编逻辑器件PLD、数字处理器DSP、大规模存储芯片，他们是数字系统的基础。分类从功能结构上有模拟集成电路、数字集成电路、数字模拟混合集成电路，工艺上有半导体集成电路、膜集成电路，而应用上则有标准通用和专用型之分。集成电路设计要求有功能正确、电学性能经过优化、芯片面积小和成本低、设计的可靠性、在制造后能够全面和快速地进行测试等。设计流程（具有条理性、层次性、可靠性的设计方法)，其过程有系统描述→功能设计→逻辑设计→电路设计→版图设计→设计验证→模拟和仿真→制造→封装和测试等流程。集成电路芯片制造工艺有氧化工艺、掺杂工艺、光刻工艺、刻蚀工艺等，SiO2膜的设计过程消洗表层→图用光刻胶→烘干→曝光→显影→坚膜→腐蚀→去胶微电子系统的设计（微处理器的设计）设计方法分类全定制设计方法、半定制设计方法、可编程逻辑器件（PLD）法、硅编译法、混合模式设计方法。门陈列（母片）是在硅片上以矩阵的方式排列逻辑门电路并预先制定集成电路的半成品，已有CMOS、nMOS、TTL和BiCMOS等不同工艺，有点是设计自动化程度高、设计周期短、设计成本低，缺点是布图密度低、品种有限。可编程阵列逻辑（PAI)、通用阵列逻辑（GAL)、现场可编程门阵列（FPGA）、专用集成电路（ASIC）等是泛指面向专门用途或特定用户而专门设计的集成电路片上系统（SOC)设计。信号分析及处理技术信号分为自然和物理的信号和人工产生信号，前者包括语音、图像、地震信号等，后者有雷达信号、通信信号、医用超声波信号、机械探伤信号。信号的处理实质是提取、增强、存储和传输有用信号的一种运算。基本描述方式有函数、波形、频谱。信号处理从分析方法看从信号和系统形式看时域分析法交换域分析法连续时间傅里叶变换离散时间傅里叶变换连续时间拉普拉斯变换Z变换连续时间分析离散型时间分析频谱可以表示信号的频率特征，它是具有一定规律的图标或图像，如福频谱、相位频谱。模拟信号→抽样性信号→数字信号→离散信号→模拟信号模拟信号经过数字处理过程的框图抽样A/D转换D/A转换内插信号分类有确定性信号和随机信号、连续信号和离散信号、模拟信号和数字信号、因果信号和非因果信号、一维信号和多维信号等之分。典型信号有指数信号、正弦信号、抽样信号、单位阶跃信号、单位激越信号等。系统是指若干个相互依赖的事物组成具有特定功能的整体。它和信号密切相关、可用数学方法描述系统。分类（数字模型）有即时系统（无记忆系统）、动态系统（记忆系统）、线性系统、非线性系统、时变系统（参变系统）、是时不变系统（非时变系统）、连续时间系统、离散时间系统。语音信号处理基本内容：语音信号处理基础、语音信号分析（时域、频域、倒谱域等犯方法）、语音编码、语音合成、语音识别、说话人识别等。数字图像处理（计算机图像处理）：最常用的方法有图像增强、复原、编码和压缩等。基本内容有图像采集及存储、数字信号进行处理再次进行存储，方法有图像变换、图像编码压缩、图像增强和复原、图像分割、图像描述、图像分类、图像分类（图像识别），有再现性好、处理精度高、适用面宽、灵活性高的特点，应用有航天和航空遥感方面的应用、生物医学工程及疾病诊断的应用、通信工程方面的应用、工业和工程方面的应用、军事方面和文艺方面的应用。信息传输技术通信是指将大量有用的信号高效率、无失真地进行传输，通信系统的一般模型：信源→发送设备→信道→接收设备→信宿分类有模拟信号形式和数字信号形式两种。模拟信号模型☞信源→调制器→信道→接收设备→信宿，其按调制方式分为连续调制系统（包括振幅、频率、相位等）和脉冲调制系统（包括脉冲振幅、脉冲相位、脉冲宽度）。数字通信技术（计算机网络）21世纪将向着数字化、网络化、信息化发展。三网指电信网络、广播电视网络和计算机网络。组建目标是实现资源共享和信息传递。定义是连接两台以上计算机进行通信的系统。分类：功能☞资源子网和通信子网

拓扑结构☞环形网、星形网、总线网、树形网通信介质☞双绞线网、同轴电缆网、光纤网、无线卫星网信号频带占用方式☞宽带网、窄带网规模及覆盖范围☞局域（LAN）、城域网（WAN)、广域网(MAN)

体系结构☞分层模型和OSI参考模型局域网的硬件平台组成：一个或多个服务器、多台工作战、传播媒体、网络适配器（网