数字技术的发展历程

数字技术的发展历程

一、前言

显而易见，人类已经进入了数字化时代。现代电子信息系统已经处处离不开处理离散信息的数字电路了。数字电路具有的高稳定性、高可靠性、可编程性、易于设计、经济性等众多优点，致使其应用越来越广泛。例如数字计算机、先进的通信系统、工业控制系统、交通控制系统及洗衣机、电视机等，无一不使用电子技术。数字技术发展的迅速，应用的广泛，令人叹为观止。

二、数字技术与电子技术

数字技术（Digital Technology），是一项与电子计算机相伴相生的科学技术，它是指借助一定的设备将各种信息，包括：图、文、声、像等，转化为电子计算机能识别的二进制数字“0”和“1”后进行运算、加工、存储、传送、传播、还原的技术。由于在运算、存储等环节中要借助计算机对信息进行编码、压缩、解码等，因此也称为数码技术、计算机数字技术等。而数字技术的主要应用在于电子技术。

电子技术是根据电子学的原理，运用电子元器件设计和制造某种特定功能的电路以解决实际问题的科学,是十九世纪初到二十世纪初开始发展起来的新兴技术，二十世纪发展最迅速，应用最广泛，成为近代科学技术发展的一个重要标志。电子技术的出现和应用,使人类进入了高新技术时代,电子技术诞生的历史虽短,但深入的领域却是最广最深,而且成为人类探索宇宙宏光世界和微观世界的物质技术和基础。

三、数字技术的发展历史

1.理论级—模拟与数字

为了科学计算的需要，许许多多单一用途的并不断深化复杂的模拟计算机被研制出来。1623年由Wilhelm Schickard率先研制出了欧洲第一台计算设备，这是一个能进行六位以内数加减法，并能通过铃声输出答案的“计算钟”，使用转动齿轮来进行操作。1642年法国数学家Pascal 在WILLIAM Oughtred计算尺的基础上，将计算尺加以改进，能进行八位计算。1801年，Joseph Marie Jacquard对织布机的设计进行了改进，其中他使用了一系列打孔的纸卡片来作为编织复杂图案的程序。

Charles Babbage是构想和设计一台完全可编程计算机的第一人，但由于技术条件，经费限制，以及无法忍耐对设计不停的修补，这台计算机在他有生之年始终未能问世。

约到19世纪晚期，许多后来被证明对计算机科学有着重大意义的技术相继出现，包括打孔卡片以及真空管。Hermann Hollerith设计了一台制表用的机器，就实现了应用打孔卡片的大规模自动数据处理。

但这些计算机，都是基于机械运行方式，尽管有个别产品开始引进一些电学内容，却都是从属于机械的，还没有进入计算机的灵活：逻辑运算领域。当人类开始打算用电来表达信息，储存数据等的时候，数字时代便降临了。

1854年，英国数学家乔治布尔在他的杰出论文《思维规律的研究》一文中提出数字式电子系统中的信息用二元数——比特。比特可以被认为是“0”或者

“1”两个常量中的一个，这种只有两个数字元素的运算系统被称为二元系统，这个理论以用二元数“1”表示真，“0”表示伪的概念为基础。

1937年英国剑桥大学的图灵（Alan M. Turing）出版了他的论文，并提出了被后人称之为'图灵机'的数学模型。

同年由香农（Claude Shannon）发表了他的伟大论文《对继电器和开关电路中的符号分析》，文中首次提及数字电子技术的应用。他向人们展示了如何使用开关来实现逻辑和数学运算。这标志着二进制电子电路设计和逻辑门应用的开始。此后，他通过研究范内瓦·布什（Vannevar Bush）的微分模拟器进一步巩固了他的想法。

Almon Strowger，申请了逻辑门电路的设备专利；Nikola Tesla早在1898年就曾申请含有逻辑门的电路设备；Lee De Forest，于1907年他用真空管代替了继电器。

同时半导体学的发展也让数字技术的发展大步迈进。1883年美国发明家爱迪生发现了热电子效应,随后在1904年弗莱明利用这个效应制成了电子二极管,并证实了电子管具有“阀门”作用,它首先被用于无线电检波。1906年美国的德福雷斯在弗莱明的二极管中放进了第三电极——栅极而发明了电子三极管,从而建树了早期电子技术上最重要的里程碑1948 年美国贝尔实验室的几位研究人员发明晶体管。1958 年集成电路的第一个样品见诸于世。。

2.器件级—门电路

20世纪初首先得到推广应用的电子器件是真空电子管。它是在抽成真空的玻璃或金属外壳内安置特制的阳极、阴极、栅极和加热用的灯丝而构成的。电子管的发明引发了通信技术的革命，产生了无线电通信和早期的无线电广播和电视。这就是电子技术的“电子管时代”。

由于电子管在工作时必须用灯丝将阴极加热到数千度的高温以后，阴极才能发射出电子流，所以这种电子器件不仅体积大、笨重，而且耗电量大，寿命短，可靠性差。因此，各国的科学家开始致力于寻找性能更为优越的电子器件。1947年美国贝尔实验室的科学家巴丁(Bardeen)、布莱顿(Brattain)和肖克利(Schockley)发明了晶体管(即半导体三极管)。由于它是一种固体器件，而且不需要用灯丝加热，所以不仅体积小、重量轻、耗电省，而且寿命长，可靠性也大为提高。从20世纪50年代初开始，晶体管在几乎所有的应用领域中逐渐取代了电子管，导致了电子设备的大规模更新换代。同时，也为电子技术更广泛的应用提供了有利条件，用晶体管制造的计算机开始在各种民用领域得到了推广应用。1960年又诞生了新型的金属-氧化物——半导体场效应三极管(MOSFET)，为后来大规模集成电路的研制奠定了基础。我们把这一时期叫做电子技术的“晶体管时代”。

而其中逻辑门电路是数字电路中最基本的逻辑元件。所谓门就是一种开关，它能按照一定的条件去控制信号的通过或不通过。门电路的输入和输出之间存在一定的逻辑关系(因果关系)，所以门电路又称为逻辑门电路。基本逻辑关系为“与”、“或”、“非”三种。逻辑门电路按其内部有源器件的不同可以分为三大类。第一类为双极型晶体管逻辑门电路，包括TTL、ECL电路和I2L电路等几种类型；第二类为单极型MOS逻辑门电路，包括NMOS、PMOS、LDMOS、VDMOS、VVMOS、IGT等几种类型；第三类则是二者的组合BICMOS门电路。常用的是CMOS逻辑门电路。

TTL逻辑门电路问世较早，其工艺经过不断改进，至今仍为主要的基本逻