数字技术的发展历程
认识论原理-
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
W
ilhelm 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
Pas
cal
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
< br>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 H
ollerith
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
< br>）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<
/p>
·
布什（
Vannevar Bush<
/p>
）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
18
98
年
就曾申请含有逻辑门的电路设备；
Lee De Forest
，于
1907
< br>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。<
/p>
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
”
。<
/p>
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
、<
/p>
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