数字电子技术基础（“数字电路”、“数字电路与逻辑设计”或相近名称等同）是电子信息、通信、计算机、网络等学科方向的一门专业（技术）基础课，针对不同方向，其内容侧重点有所区别。本文试图和大家一起梳理一下（数字）电子技术发展史，以期帮大家更好地审视自己所选择的专业，更好理解该课程的由来和作用，从而能够比较愉快地接受和学好这门课。

       自17世纪初英国的威廉·吉尔伯特（医学）博士因发现静电感应而将电学和磁学现象区分开来，电（磁）学及相关科学逐步发展了起来，一些重要的发明、发现相继问世。例如：1749年，美国科学家本杰明·富兰克林提出了正电负电的概念，其后，他于1752年发现了电荷守恒定律；1785年，法国物理学家查尔斯·奥古斯丁·库仑实验测定了库仑定律；1800年，意大利物理学家亚历山德罗·伏特发明了伏打电池；1825年，法国物理学家安德烈·玛丽·安培提出了安培环路定律；1826年，德国物理学家乔治·西蒙·欧姆提出了欧姆定律；1831年，英国科学家迈克尔·法拉第与美国科学家约瑟·亨利分别独立地发现了电磁感应，奠定了电磁学的基础，值得一提的是，法拉第自学成才，他当年还创造了人类史上第一个发电机；1845年，德国物理学家古斯塔夫·罗伯特·基尔霍夫提出了基尔霍夫定律（KVL和KCL），这是经典电路分析的第一定律；1865年，英国物理学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦提出麦克斯韦方程组，建立了电磁场理论；1876年，苏格兰裔美国发明家亚历山大·格拉汉姆·贝儿发明了电话；1897年，英国物理学家约瑟夫·汤姆逊证实了阴极射线的微粒性，发现了电子，使人类对物质的认识有了新的突破。完成以上这些伟大工作的科学家，大多数被称为物理学家，法拉第同时还是化学家，富兰克林甚至有政治家身份，但他们却探索并打开了电气化时代的大门。

       1899年，意大利无线电工程师伽利尔摩·马可尼在英吉利海峡两岸建立了无线电报通信（次年获得专利），同年，俄国物理学家和电工学家亚历山大·斯捷潘诺维奇·波波夫实现了50千米无线电通信。伴随电（磁）学、电路理论（至20世纪30年代成为一门独立学科）和无线电通讯的发展，电子（元）器件也在逐步发展。电子器件是一种通过控制电子在其中运动而工作的器件，研究应用电子器件设计和制造某种特定功能的电路以解决实际问题，这就是电子技术。电子技术的发展以电子器件的发展为基础，20世纪初真空电子管的发明面世，是早期电子技术的重要开端，这始于美国发明家托马斯·阿尔瓦·爱迪生（一生拥有2000多项发明专利），他于1879年发明了碳丝灯泡，之后于1883年发现了热电子效应（一种通过热激发发射载流子的现象）；1904年，英国物理学家约翰·安布罗斯·弗莱明利用这个效应制成了真空（电子）二极管；1907年，美国发明家德·福雷斯特又在弗莱明的基础上发明了真空三极管，可以实现信号放大，此后无线通讯、广播、电视迎来了快速发展。

       把实际物理量转换成电信号，再通过电子电路进行处理，这是电子技术应用的基本方法。我们知道，自然界的物理量可以分为两类，一类在时间和数量上是连续的，我们称为模拟量，另一类在时间和数量上是离散的，称为数字量，当我们把模拟量和数字量转换成相应的电信号（电压或电流）时，就分别得到了模拟信号和数字信号。工作在模拟信号下的电路处于连续工作状态，称为模拟电路，工作在数字信号下的电路处于开关工作状态，称为数字电路。由于数字电路和模拟电路在基本原理、电路分析方法和设计方法上明显不同，故实践中电子技术分为模拟（电子）技术和数字（电子）技术两个分支，也形成了电子技术基础课程体系内的两门独立课程。数字电子技术应用更为广泛，但模拟电子技术也不可或缺。

       以下科学家都是（数字）电子技术发展的奠基人：

      1947年，约翰·巴丁、威廉·肖克莱、沃尔特·布拉顿正在美国贝尔实验室的一个半导体研究小组工作（肖克莱是负责人），当年年底，巴丁与布拉顿发明了点接触型晶体管，一个月后，肖克莱想到了结型晶体管的方法。1951年，肖克莱又领导一个小组研制出第一个可靠的面结型晶体管。（结型晶体管是当时真正实用的晶体管。）

       晶体管比电子管更小，启动更快，功耗非常低，它的诞生是二十世纪最重要的发明，标志着电子行业以晶体管为主导的新时代的来临，为后续的集成电路和计算机技术奠定了基础。1965年，巴丁、肖克莱、布拉顿共同获得了诺贝尔物理学奖。

约翰·巴丁

       约翰·巴丁（John Bardeen，1908~1991），美国物理学家，迄今唯一一位两次获得诺贝尔物理学奖的科学家，不仅是晶体管和集成电路的先驱，还是超导和量子力学的杰出理论家。

       巴丁于1908年5月出生于美国威斯康辛州的麦迪逊市，9岁时从小学三年级跳级升入初中，12岁时失去母亲，艰难度过了高中三年后，15岁进入威斯康辛大学电机工程系，1928年获物理学士学位，翌年获物理学硕士学位。1933年，巴丁到普林斯顿大学攻读博士学位，得到了匈牙利裔物理学家尤金·维格纳（Eugene P. Wigner，1902-1995，诺贝尔物理学奖获得者）和弗雷德里克·塞茨（Frederick Seitz，1911-2008）的联合指导，1935年前往哈佛大学访学，1936年获得普林斯顿大学数学物理学博士学位。1941年到海军实验室工作，二战结束后于1945年至1951年间在贝尔实验室物理部工作，期间与肖克莱和布拉顿共同发明了晶体管。1951年，巴丁到伊利诺大学香槟分校任教，开始研究超导电性的问题。1957年，巴丁和利昂·库珀、约翰·施里弗（巴丁的学生）共同创立了BCS理论，对超导电性做出了合理的解释，他们三人因此获得1972年诺贝尔物理学奖，这是巴丁第二次获诺贝尔奖。

       巴丁曾两次来访中国，1980年5月，在他第二次访问期间，先后作了十二场有关超导物理发展的学术报告和公众演讲，广受欢迎。

威廉·肖克莱

       威廉·肖克莱（William Shockley，1910~1989），美国物理学家、发明家，晶体管和集成电路的先驱之一，一生获得了90多项发明专利。

       肖克莱于1910年生于伦敦，3岁起随父母迁往美国加州，从小接受科学思想，受到邻居诺斯教授（斯坦福大学物理学家）的启蒙和中学教师斯拉特的熏陶，中学毕业后考入了加州理工学院（1932年毕业），后来进入MIT，1936年获固体物理学博士学位并留校，但不久被贝尔实验室挖走，任物理部主任。1938年获第一个专利“电子倍增放电器”。1947年，与巴丁、布拉顿发明了晶体管。1950年，出版了《半导体中的电子和电洞》。1951年，研制出第一个可靠实用的结型晶体管。1955年在硅谷创办肖克莱半导体实验室，但因为他不善管理，两年后八名主要员工（“八叛逆”）集体跳槽成立了仙童半导体公司，后者为硅谷孕育了成千上万的技术人才和管理人才。肖克莱的公司虽然失败了，但他引导硅谷走向了电子产业的新时代。

沃尔特·布拉顿

       沃尔特·布拉顿（Walter Brattain，1902~1987），美国物理学家，1947年和巴丁、肖克莱发明了晶体管。他长期从事半导体物理学研究，还曾研究压电现象、频率标准、磁强计和红外侦察等。

      1902年2月10日，布拉顿出生于中国厦门，一岁时随父母返回美国。1924年获惠特曼学院理学学士学位，1926年获俄勒冈大学理学硕士学位，1928年获明尼苏达大学哲学博士学位，1929年加盟贝尔实验室研究物理学。布拉顿擅长实验物理，1936年，实验室迎来了偏向理论物理研究的肖克莱，两人一见如故，开启了半导体研究的思想碰撞。二战期间，他们被派往美国海军部工作，1945年战争结束后返回贝尔实验室，肖克莱又带来了擅长固体物理学的巴丁。很快，在凯利的决策和支持下，三人的固体物理学项目获批，两年后，他们制成了一个有放大作用的新器件——前面提到的点接触型晶体管。布拉顿1955年获理学博士学位，1962至1967年任母校惠特曼学院客座讲师，1967年起担任教授至退休。

戈特弗里德·莱布尼茨

       戈特弗里德·莱布尼茨（Gottfried Wilhelm Leibniz，1646~1716），德国哲学家、数学家，数理逻辑研究的开创者，研究涉及哲学、法学、神学、历史、伦理、语言学等诸多方面。他与牛顿同时发明了微积分，但他的数学符号更被人们接受和认可。

       莱布尼茨出生于神圣罗马帝国莱比锡，6岁时父亲（伦理学教授）离世，12岁时自学拉丁文，14岁入读莱比锡大学，20岁获得博士学位，曾任职高等法庭，创立柏林德国科学院，但他一生大部分时间的正式职业是图书馆员。他是最早接触中华文化的欧洲人之一，著有《论中国人的自然神学》。他于1679年发明了二进制，认为1和0是一切数字的神奇渊源，有人说他受到了《周易》的启发，他自己也认为“阴”与“阳”基本上就是他的二进制的中国版。 他曾说：“二进制乃是具有世界普遍性的、最完美的逻辑语言”，事实是二进制既可以作算数运算，也可以作逻辑运算，为数字电路和现代计算机技术奠定了运算基础。

乔治·布尔

       乔治·布尔（George Boole，1815～1864）是19世纪最重要的数学家之一，数理逻辑学先驱，为逻辑电路设计和计算机逻辑运算奠定了数学基础。

       布尔于1815年11月生于英格兰，小时候家境贫寒。16岁时，他找了一份小学老师的工作，四年后开办了自己的学校。因非常不满意当时的数学课本，他走上了自学的道路，开始阅读数学家们的论文，研读拉普拉斯的《天体力学》、拉格朗日的《分析力学》等，期间对变分法有了新发现。1847年出版了《逻辑的数学分析》，对符号逻辑诸方面进行了第一次系统阐述，提出了用数学分析的方法表示命题陈述的逻辑结构。1849年，他被任命为女王学院的数学教授，继续研究完善逻辑的数学分析方法。1854年，发表《思维规律的研究——作为逻辑与概率的数学理论的基础》，这是他最著名的著作。书中，他的逻辑代数思想得到进一步阐述，他把形式逻辑简化为一类代数运算，从而将逻辑推理演变成了数学运算。他建立了一个逻辑代数的推理演算系统，后人在他的基础上建立了现今比较完善的逻辑代数，也称布尔代数。

克劳德·香农

       克劳德·香农（Claude Elwood Shannon，1916~2001），美国数学家，信息论创始人，20世纪最伟大的科学家之一。他喜欢音乐、诗歌、国际象棋和数学，爱好杂耍，一生热衷于制作他认为有趣的古怪发明，退休以后还迷上了金融投资研究。这些，与他的伟大的科学工作相辅相成。

       1916年4月30日，香农出生于美国密歇根州一个名叫盖洛德（Gaylord）的小镇，他从小喜欢发明，也许是因为他的农场主爷爷是一位农用机械发明家，还有说他的偶像是托马斯·爱迪生，而这位大神是竟然是他们家的远房亲戚。香农小时候还表现出了非常惊人的数学天赋，据说8岁时就辅导他的姐姐做高等数学作业。香农于1936年获得密歇根大学数学和电子工程学士学位，1940年获得MIT电气工程硕士和数学博士学位，先后任职于普林斯顿高等研究院（只工作了一年）、贝尔实验室和MIT，1978年退休。

       1937年，香农在其著名的硕士学位论文《继电器和开关电路的符号分析》中，严谨地论述了如何使用布尔代数对机电继电器电路进行分析和简化。他首次将布尔代数与二进制算术应用到电话交换系统中，证明了开关电路能用于模拟和解决布尔代数问题（布尔代数的“真”与“假”与电路的“开”与“关”对应起来，并用1和0表示），为数字电路设计和计算机硬件科学奠定了理论基础。1948年，32岁的香农发表了一篇划时代的论文《通信的数学理论》，提出熵的概念，给出了可量化的信息的定义（今天我们熟知的bit由此而来），推导出一系列定理，这标志着信息论的诞生和数字时代的真正来临。1949年，香农发表了《编程实现计算机下棋》，提出计算机可以模仿人脑进行思考的理念，后来还创造了一只由继电器电路控制、会走迷宫的机械老鼠 “忒修斯”，这是最早的人工智能应用之一。

       杰克·基尔比于1958年、罗伯特·诺伊斯于1959年分别独立发明集成电路。杰克·基尔比发明了世界上第一块混合集成电路，罗伯特·诺伊斯发明了更加复杂的硅集成电路。集成电路的发明和应用，大幅度降低了电子产品的开发成本，使微处理器的出现成为了可能，标志着电子技术发展到了一个新的阶段。1960年，集成电路还处于“小规模集成”阶段，每个半导体芯片上有不到100个元器件，几十年来，集成电路的发展一直遵循“摩尔定律”，即单个芯片上集成的晶体管数量每18个月翻一翻。如今是纳米时代，在14nm的制程下，一个集成电路上有超过10亿个晶体管。

杰克·基尔比

       杰克·基尔比（Jack Kilby，1923~2005），工程师，发明家，一生拥有六十多项专利，在发明集成电路42年之后，于2000年被授予诺贝尔物理学奖，评价是“为现代信息技术奠定了基础”。基尔比一生谦和，他说：“我的工作可能引入了看待电路部件的一种新角度，并开创了一个新领域，自此以后的多数成果和我的工作并无直接联系。”

       1923年11月，基尔比出生于美国中部的杰斐逊城。小时候他立志要像父亲一样成为一名电器工程师。1941年，基尔比考取MIT失败，进入伊利诺伊大学香槟分校学习，期间因二战参军中断学业，战争结束后回校继续学习，于1947年毕业后，在威斯康星州密尔沃基一个属于全球联通公司的名为中央实验室的地方工作，后来利用业余时间在威斯康星大学上电子工程学硕士班夜校。1958年，携妻子前往德州仪器公司任职，这家公司给他提供了大量时间和不错的实验条件。1958年9月12日，他在实验室里实现了把电子器件集成在一块半导体材料上的构想，发明了世界上第一颗集成电路。此次发明所取得最大的突破是，电路所需的所有电子元器件（除了电感）都用一种材料（例如锗或硅）来制作。从此，半导体产业由“发明时代”进入了“商用时代”。 

罗伯特·诺伊斯

       罗伯特·诺伊斯（Robert Norton Noyce，1927~1990），1927年12月生于美国爱荷华州，英特尔主要创始人，被称为“硅谷之父”。

       诺伊斯生性随和，有远见，从小有冒险精神。12岁时，他与二哥自造了一架悬挂式滑翔机（一只大风筝），差点让哥俩牺牲。1949年获格林尼学院文学学士学位，1953年获MIT物理学博士学位。1956年，他受邀进入肖克莱的初创半导体公司，但因无法忍受公司的不科学管理，第二年即带领其他七人集体辞职，创办了仙童半导体公司（此后十年这里成为硅谷的人才培养基地），1959年，在仙童半导体发明了工艺更好的硅集成电路。1968年，诺伊斯和戈登·摩尔、安迪·格罗夫离开仙童半导体，创办了英特尔公司，不久后推出了世界上第一枚微处理器芯片。

       1959年１月23日，诺伊斯在他的工作笔记上写到：“将各种器件制作在同一硅晶片上，再用平面工艺将其连接起来，就能制造出多功能的电子线路。这一技术可以使电路的体积减小、重量减轻、并使成本下降。”在器件的连接问题上，诺伊斯的想法领先于基尔比，他和仙童半导体公司基于光刻技术的平面工艺法，发明了更复杂的硅集成电路，并马上投入了商业领域，因此，尊他为集成电路的共同发明人是合理的。遗憾的是，基尔比于2000年获得诺贝尔奖，当时诺伊斯已去世，未能共享这一殊荣。

       现代电子计算机是数字（电子）技术应用的典型代表，体现并发展了数字电路的优势，为了更好进行信号处理，人们将模拟信号数字化后再通过数字电路（系统）进行处理，成就了如今的全面数字化。在现代计算机科学与技术发展历程中，下列科学家的工作是开创性的。

       阿隆佐·丘奇（Alonzo Church，1903~1995），美国数学家，1936年发表了可计算函数的第一份精确定义，提出了著名的“丘奇论点”，对算法理论的系统发展做出了巨大贡献。他和他的学生艾伦·图灵都被认为是计算机科学的奠基人之一，丘奇代表了“逻辑”和“语言”方向，而图灵代表着“物理”和“机器”方向。

       约翰·冯·诺伊曼(John von Neumann，1903~1957)，出生于匈牙利的美籍数学家、计算机科学家，现代计算机体系结构的奠基人之一。他提出了计算机制造的三个基本原则，即采用二进制逻辑、程序存储执行以及计算机由五个部分构成（即著名的“冯·诺伊曼体系结构”， 包括运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备），该结构将数字电路与计算机程序相结合，为现代计算机的发展奠定了基础。

       艾伦·图灵（Alan Mathison Turing，1912~1954），英国数学家、逻辑学家，提出了著名的“图灵机”（一种自动机的数学模型）、“图灵测试”（判定机器是否有智能），突破了计算机的可计算和可判定性。其论文《计算机器与智能》（1950年首发，1956年以“机器能思考吗”为题重新发表）是人工智能的开山之作。1952年，图灵遭受迫害并被不公正对待，两年后在家中自尽。为纪念图灵对计算机科学的巨大贡献，美国计算机协会于1966年设立图灵奖。

       电子器件的发展更替是电子技术发展的主要驱动因素，从真空电子管、晶体管、集成电路到CPU、MCU、SOC等超大规模集成电路，今天，一个芯片，几乎就是一个（数字）电子系统。

       自然界大多数物理量都是模拟量，因此实际的电子系统一般是模拟电路和数字电路的结合，例如系统中的电源、功率模块，以及与外部物理世界的信号传输都需要模拟电路。对计算机和网络相关专业的同学来说，在学习掌握数字电子技术基础课的同时，也应学习经典电路分析方法、半导体器件，了解基本放大电路、模拟集成电路、电源技术等模拟电路基础知识。

        梳理先辈科学家们所做的伟大工作可知，数字电路的基础理论、方法和内容应当包括：二进制的应用（数制及其转换）、信号的表达方法（编码）、逻辑代数、半导体开关电路（集成逻辑门电路）、数字电路的分析与设计方法（组合逻辑电路和时序逻辑电路）、数字集成电路应用（典型模块、可编程逻辑器件等）、数字信号（脉冲波形）的产生、模拟信号与数字信号的转换。这就是数字电子技术基础课程的主要内容，学习过程中应当重点掌握，并能够灵活地使用常用中、小规模数字集成电路进行电子系统设计，会使用EDA工具，了解硬件描述语言，理解数字电路与逻辑设计在计算机与网络专业方向中的基础作用。在学习方法上，建议做到：乐思乐学；纵向积累，横向联系，系统分析；数学方法与工程思维相结合；理论与实践相结合。

       “真正认真对待软件的人应该自己制造硬件”，即使将来专做软件，数字电子技术基础这门课的定位是不需要疑虑的。向科学家们致敬！祝大家学习快乐！