0.2 电子科学与技术的应用领域
从图0.1-1可以看出,从第一支双极三极管(Bipolar Junction Transistor,BJT)诞生到现在,现代电子技术已经历了60多年的发展历史。这60多年可以被看成是一个电子技术飞速发展的时期,也是一个电子技术不断扩大应用领域的时期。从应用角度看,电子科学与技术中的应用电子技术是实现各种工程电子系统设计的基本方法。从学科领域看,电子技术又是现代科学技术研究的对象。随着科学技术的发展和人类的进步,应用电子技术已经成为各种工程技术的核心;特别是进入信息时代以来,应用电子技术更是成为了基本技术。
为了更好地了解电子科学与技术和应用电子技术的研究内容、研究对象和研究方法,必须对其应用领域有一个大概的了解。以下是对一些电子科学与技术具体应用领域的简单介绍。
1.通信系统
通信系统是现代社会的基础,而现代通信系统的基础之一就是电子技术,这是因为现代通信系统本身就是一个复杂的电子信息处理系统,所有通信设备无一例外都是电子产品,如电话机、电视机、寻呼机(俗称 BP 机)、移动电话等。特别是高清晰度数字电视、流媒体通信系统、3G(第三代移动通信)和 4G(第四代移动通信)通信系统,完全是一个电子技术支撑下的信息系统。
2.控制系统
控制系统实际上是执行系统加信号处理系统。对控制系统的要求是,根据设计的功能和技术指标要求,在相应控制信号作用下实现系统的设计功能。现代控制系统的基本实现技术之一就是现代电子系统。利用集成电路设计与制造技术,可以把一个控制系统集成在一个单片的集成电路中,实现信息对系统设备运行的智能控制。例如,对各种机床的控制、对环境温度和湿度的控制、对铁路机车的控制、对各种交通信号的控制等。随着电子与信息技术的发展,电子技术已经成为现代控制系统的基础;特别是在智能控制领域,电子技术已经成为必不可少的基本实现技术了,如机器人、自动驾驶系统等领域。
3.信息处理系统
随着智能技术、计算机技术与电子技术的发展,信息处理系统已经成为现代工程技术和社会生活的重要基础。信息技术的设备,其核心是软件系统,其基础则是电子技术所提供的硬件,如各种计算机和计算设备、嵌入式系统、显示设备、网络设备等。随着信息化社会发展进程的加快,特别是信息网络技术的发展与应用领域的不断扩展,信息处理系统必将会对有关的电子技术提出更高的要求,这将促进电子技术的进一步发展。
4.测试系统
测试系统对于工业生产来说是十分重要的系统,其主要作用是对产品质量实施有效控制、监测与监视等。同时,在产品设计和研制过程中,各种测试技术也是必不可少的。由于电子技术的信号处理能力十分强大,特别是电子系统的计算功能,使得电子技术在测试系统中占有十分重要的地位。从传感器到测试仪器,几乎所有的测量系统都离不开电子技术。实际上,现代测试系统已经成为现代信息系统的一个重要基础,成为现代信息系统的重要信息来源。同时,测试系统也是现代工业系统的基础。
5.计算机
计算机是现代信息社会的基础设备,利用计算机可以对各种信息进行处理。计算机由两部分组成,一部分叫做硬件,另一部分叫做软件。硬件提供软件功能的实现技术和方法,软件在硬件支持下工作。计算机实际上是一个软件控制下的复杂电子系统,在硬件的支持下,通过运行相应的软件,计算机可以完成十分复杂的信号和信息处理任务。同时,随着信息技术的发展,分布式、嵌入式计算系统硬件成为现代各种信息网络的核心设备,各种形式的计算机正在现代工程技术中发挥着系统核心的作用。
6.生物医学电子系统
生物医学工程是第二次世界大战后发展起来的一门新兴学科,其基本技术特点是以生物信号、信息处理理论为基础,提供生物医学电子设备。在生物医学工程中,生物医学电子系统是各种生物医学仪器的基本实现技术,也是现代信息医学和定量医学的重要技术基础。例如,生命信息监视系统、手术设备、医学特征检测设备、物理治疗设备等,都是生物医学电子系统。除此之外,近年来基因技术和生物技术的发展,引出了生物芯片。
7.绿色能源中的电子系统
绿色能源是人类社会持续发展的基础,是当今科学研究和工程技术研究的重要领域。绿色能源技术包括各种低碳化能源应用技术、无碳的太阳能获得技术、风能应用技术等。这些技术中,其核心就是根据能源提供与应用之间的关系实现最佳能源配置与利用。而要实现最佳能源利用,现代电子技术和信息处理技术是两个支撑技术。绿色能源中的电子系统主要完成能量转换及能量存储与释放的最佳控制。目前,电子技术在绿色能源中的应用具有极大的发展空间。
8.传媒技术中的电子系统
传统的传媒技术中,电子技术仅仅起到了信号传播、装饰、照明等简单功能。在信息技术发展的推动下,传媒技术已经进入了依靠电子技术达到创意目的的时代。例如,利用电子信息技术,可以实现各种不同特技的电子合成,从而可以极大地节省成本、提高制作速度。传媒技术中,电子系统主要的功能包括制作、保存、传播,因此,传媒技术中的电子系统一般都是比较复杂的电子信息处理系统。
9.智能家居中的电子技术
智能家居是近10年发展起来的电子技术应用领域,随着信息技术的发展,它已经成为电子应用技术的重要研究领域。智能家居的目的是提供信息化居住环境,实现家庭环境的信息化和智能化。智能家居实际上是一个智能信息网络,这个信息网络可以完成对家居环境的监视、各种设备的智能控制、娱乐设备的管理等。智能家居也是一个十分复杂的电子系统,需要电子传感技术、智能控制技术等的支撑。智能家居涉及的技术领域广泛,同时,家居环境的信息化还属于一个比较新的研究领域,具有广泛的发展空间。
10.物联网系统中的电子技术
物联网是一个新的信息技术应用概念。所谓物联,就是把物质世界中人类所关心的物质或物体,通过信息网络连接起来。这种新的网络技术实际上是信息网络和物流网络的合二为一,是一种直接把各种物理实体通过信息网络技术连接在一起并提供智能化的物理实体传输,从而形成一个信息网络支撑下的、物理的巨大仓库。人们可以在物联网中查找有关的物品或商品,并以完全透明的方式通过信息网络和物流网络迅速获得所需要的产品或商品。从电子信息技术的角度看,物联网的数据源来自由各种传感器构成的传感网络,而网络的作用,则是通过智能处理达到满足人类各种需要的目的。物联网是传感器技术、传感网络技术、信息网络技术、智能信息处理技术、物流管理技术的综合应用,是一个新兴的现代信息技术应用概念,为电子技术提出了一个新的、具有巨大发展空间的研究与工程应用领域。可以毫不夸张地说,物联网将会改变传统的经济管理和经济运行观念、方式和方法,将与 20年前信息网络的出现相同,为人类架起物质流动的高速公路。
还可以举出许多其他应用领域,如家用电器、机电一体化、农业工程等,限于篇幅就不一一列举了。
通过以上电子技术的应用领域可以看出,在现代工程技术中,只要把任何其他形式的信号转变为电信号(大部分是电压信号),就可以使用电子技术进行处理。从信息传输和处理的角度看,所有的工程系统都可以看成是一个信号和信息处理系统,而任何信息处理,都可以看成是对输入信号进行某种数学运算,实现工程信号和信息处理的最好方法,是使用电子技术的理论与知识设计出相应的电子系统。