教学目的与要求：掌握生物化学的含义，主要研究内容、学科分支、学科特 点、生物化学的地位，以及学习生物化学的意义。 生物化学的概念（0.2学时） 生物化学的研究内容（0.25学时） 生物化学发展简史（0.15学时） 生物化学的发展趋势（0.15学时） 生物化学的学习方法（0.25学时） 教学重点与难点：生物化学研究内容；生物化学的发展趋势 生物化学（Biochemistry）这门学科，顾名思义是研究生命的化学。它的准确定义是：在分子水平上研究生物体的化学本质及其在生命活动过程中的化学变化规律。即，运用化学的原理和方法来探究生命现象的分子基础。 二、生物化学的研究内容 1、生物体的化学组成、结构、性质和功能 2、生物体内的物质代谢、能量转换以及调节 3、生物体生命现象的信息传递与表达     生物化学研究的第三个方面，通过DNA的复制由亲代传递给子代。在子代的生长发育过程中，遗传信息从DNA转录给RNA，然后翻译成特异的蛋白质，以执行各种生命功能。 以上就是我们这个学期的生物化学课程将要学习的内容的一个概括，希望能够给大家一个粗略的轮廓，对大家以后的学习有所帮助。下面我简要介绍一下生物化学的发展简史。 三、生物化学的发展简史 1、生物化学的产生阶段（17～18世纪） 2、生物化的独立阶段（19世纪） 3、生物化学的发展阶段（20世纪上半叶） 4、生物化学的深化阶段（20世纪50年代至今） 四、生物化学的发展趋势 我们刚才讲过，蛋白质是生命的物质基础。对于生命活动领域，我们仍然了解的太少，大量的未知事件等待被研究。由于基因工程技术的逐渐成熟，后基因组时代，利用基因工程技术对蛋白质进行研究将会是生物化学领域的生长点。举例来说，在老年痴呆这一疾病的研究中，我们已经知道有一种叫做APP的蛋白起到非常重要的作用，它分解后形成的小分子肽Aβ是老年痴呆的重要致病因子之一。 今后生物化学发展的另外一个重要的特点就是学科间的交叉。由于研究内容越来越深入，单纯的生物化学知识和技术已经不能满足需求，细胞生物学、神经生物学、发育生物学和生物制药已经与现在生物化学的研究密不可分。如果我们要研究一种酶在细胞内的生理功能，我们就必然结合细胞生物学的技术；如果我们要研究神经活性物质的作用机理，我们也无法避免要结合已有的神经生物学研究成果；生物制药，由于它在造福人类方面不容忽视的影响以及它对于社会经济发展的促进，也会是今后生物化学研究的一个热点。 思考与练习：1、什么是生物化学？它的研究内容主要有哪些？ 2、生物化学在生命科学中占有什么地位？ 3、生物化学在实践中有何意义？ 掌握氨基酸的结构及理化性质；蛋白质分子的基本结构、空间结构及理化性质；蛋白质变性、复性的过程。 了解蛋白质的各种分类方法。 一、蛋白质的分子组成（0.5学时） 1、蛋白质的元素组成特点 2、氨基酸的结构通式，氨基酸的理化性质氨基酸的连接方式 二、蛋白质的分子结构（2。3学时） 1、蛋白质的一级结构：蛋白质一级结构的概念及其主要的化学键。 2、蛋白质的空间结构： 蛋白质的二级结构的概念、主要化学键和形式：α-螺旋，β-折叠，β-转角与无规卷曲。掌握α-螺旋，β-折叠的结构特点 蛋白质的三级结构概念和维持其稳定的化学键：疏水作用、离子键、氢键和范德华引力 蛋白质的四级结构的概念和维持稳定的化学键 3、蛋白质结构与功能的关系：一级结构决定空间结构，空间结构决定生物学功能。 三、蛋白质的理化性质（2学时） 3、蛋白质的变性、沉淀和凝固 4、紫外吸收和呈色反应。 四、蛋白质的分类（0.2学时） 重点：氨基酸的重要理化性质，蛋白质的性质；蛋白质的结构层次 难点：蛋白质的二级结构。       蛋白质是生物体的基本组成成份。蛋白质是由20种氨基酸组成的高分子有机物质，典型的蛋白质分子含数百至数千个aa残基，分子量数千至数百万。 蛋白质在自然界及生物体中分布广、含量高、功能多种多样。它是生命体系中最重要的成分。肌肉、毛发、血细胞等以及常见的鸡蛋、皮革、蚕丝等都主要是由蛋白质组成的。蛋白质在人体内的含量很多，约占人体固体成分的45%。 它的分布很广，几乎所有的器官组织都含蛋白质，所以它又与所有的生命活动密切联系。它不仅是生物体的最基本的组成物质，又是生命活动的主要体现者。  二、蛋白质的生物学意义（功能多样性）   1、迄今为止，几乎所有的酶都是蛋白质。 酶：酶的化学本质主要是蛋白质，且催化的反应温和、快速、专一，任何生命活动之必须，有的还具有辅酶 2、组成成分，如参与细胞结构的建造，起支持和保护作用。 结构成分：胶原蛋白（肌腱、筋），角蛋白（头发、指甲），膜蛋白等。生物体就是蛋白质堆积而成，人的长相也是由蛋白质决定的。 4、调节物质代谢的激素有许多也是蛋白质或它的衍生物； 5、疾病的发生与防御也与蛋白质有关。 防御异体侵入机体，清除抗原，具高度专一性。病毒外壳蛋白 免疫系统：防御系统，抗原（进入"体内"的生物大分子和有机体），发炎。 细胞免疫：T细胞本身，分化，脓细胞。  体液免疫：B细胞，释放抗体，导弹，免疫球蛋白（Ig）。     蛋白质--它是构成生物体的一类最重要的有机氮化合物； 蛋白质不论其来源如何(动植物、微生物)，各种蛋白质的元素组成很近似各元素的百分比对于大多数蛋白质都较相似；所含的主要元素有： 除此之外，不同种类的蛋白质中尚含有少量的其他元素，这些称为微量元素。蛋白质中所含的微量元素主要有：   碘，主要存在于甲状腺球蛋白中。此外还有锌，铜等。     蛋白质元素组成的特点是一切蛋白质都含有氮元素（或者说是区别于糖和脂的特征性元素），且比较恒定，平均为16%。而糖、脂多不含氮，即使含氮，其量也甚微，且不恒定。 是由多种氨基酸结合而成的一类具有特定的空间构象和生物学活性生物大分子。 形状：纤维状蛋白质对称性差，分子类似纤维或棒状，通常在生物体内作为结构成分存在，比如胶原纤维、角蛋白、丝心蛋白等；球状蛋白质分子对称性好，接近球型或椭球型，在细胞内通常承担动态的功能，大多数蛋白属于这一类。 第一节 蛋白质的基本组成单位――氨基酸 一、氨基酸的一般结构特征 目前，已发现的氨基酸可能超过200种左右，但组成蛋白质分子的氨基酸只有20种左右。这20种氨基酸也称为蛋白质氨基酸。这20种aa中，除脯氨酸外，都具有下图所示结构： 二、氨基酸的分类（自学） 三、氨基酸的重要理化性质 氨基酸的化学性质是由它的结构决定的，不同氨基酸之间的差异仅在侧链上，因此氨基酸具有许多共同的性质，个别氨基酸由于侧链的特殊结构尚有许多特殊的性质。     这是氨基酸最重要的性质。氨基酸分子中既含有羧基，又含有氨基，故它是两性电解质。两性离子，又称为兼性离子即在同一个分子中含有等量的正负两种电荷或在同一氨基酸分子上带有能放出质子的-NH3+正离子和能接受质子的-COOH-负离子。     氨基酸既是两性电解质，它在溶液中的带电情况，随溶液的pH的变化而变化。改变溶液的pH，可以使氨基酸带正电，或带负电。     在一定的pH条件下，氨基酸分子中所带的正电荷和负电荷数相同，即净电荷为零，此时溶液的pH称为该种氨基酸的等电点（pI）。氨基酸的等电点是它呈现电中性时所处环境的pH。不同氨基酸由于分子中所含的可解离基团不同，解离程度不同，等电点不同。在等电点时，氨基酸的物理性质有所不同，最显著的特性是溶解度降低。氨基酸的等电点可由实验测定，也可根据氨基酸分子中所带的可解离基团的pK值来计算（课本方程式）。  从上述结论知，等电溶液的pH与离子浓度无关，其值决定于两性离子两侧的可解离基团的pK值。 例如：甘氨酸在PH值为1的酸性条件下带正电荷，而当溶液的PH值为11的碱性环境时，则带负电荷；当溶液的PH值调到5.97时，甘氨酸主要以两性离子存在。此时甘氨酸分子中正负电荷相等，净电荷为0，不显电性，因此，5.97就是甘氨酸的等电点，即PI=5.97。 当氨基酸处于等电状态时，由于静电的作用，此时氨基酸的溶解度最小，容易沉淀（正负电荷相等，分子之间通过静电引力而结合成集聚体而易于沉淀）。由此，我们可以用调节溶液pH值的方法（即等电点法），使某一氨基酸大量沉淀而达到分离制备的目的。例如在味精生产中常采用等电点法使谷氨酸从发酵液中沉淀出来，只要调节发酵液的pH值至谷氨酸的等电点pI=3.22时，谷氨酸就可大量沉淀出来。 一、有关肽的一些基本概念 在蛋白质分子中，氨基酸之间是以肽键相连的。肽键就是一个氨基酸的α- 羧基与另一个氨基酸的α-氨基脱去一分子水缩合形成的键，又称为酰胺键。     氨基酸之间通过肽键联结起来的化合物称为肽(peptide)，其实就是一种酰胺化合物。两个氨基酸形成的肽叫二肽，三个氨基酸形成的肽叫三肽……，以此类推。十个氨基酸形成的肽叫十肽，一般将十肽以下称为寡肽(oligopeptide)，以上者称多肽(polypeptide)或称多肽链。50个氨基酸以上，有特定的构象，就被称为蛋白质。组成多肽链的氨基酸在相互结合时，失去了一分子水，与原来的相比，分子稍有残缺，因此把多肽中的氨基酸单位称为氨基酸残基(amino acid residue)。 肽链结构中有主链和侧链之分，主链骨架是指除侧链R以外的部分。 在多肽链中，肽链的一端保留着一个自由的α－氨基，另一端保留一个自由 的α－羧基，带α－氨基的末端称氨基末端(N端)；带α－羧基的末端称羧基末端 (C端)。书写多肽链时可用略号，N端写于左侧，C端于右侧。     除蛋白质水解可以产生长短不一的各种肽段之外，在生物体内还存在许多游离状态的天然肽，它们各自具有特殊的生物学功能，叫做活性肽，能够发挥重要的生物学功能。 （1）谷胱甘肽：还原型GSH和氧化型GSSG，多种酶的激活剂，参与体内多项代谢，主要作用是还原剂，消除体内的自由基（过氧化物）。全名是γ－谷氨酰半胱氨酰甘氨酸，简称谷胱甘肽(glutachione,简写GSH)。其中N末端的谷氨酸是通过γ－羧基与半胱氨酸的氨基相连。 a.解毒功能：与重金属离子、环氧化物（致癌物）结合排出体外。 b.维持红细胞膜的完整性。 c.参与高铁血红蛋白的还原作用。 （2）激素：催产素和加压素，9肽或环8肽，都是脑垂体后叶激素， 都有升血压、抗利尿、刺激子宫收缩、排乳的作用，催产素促进遗忘，加压素增强记忆；胰高血糖素，29肽，升高血糖，作用同肾上腺素。 第三节 蛋白质的分子结构 一级结构 初级结构（共价结构，即氨基酸的排列顺序） 一、 蛋白质的一级结构 蛋白质的一级结构包括指多肽链中氨基酸的排列顺序，包括二硫键的位置。胰岛素的一级结构见课本P16。 二、 蛋白质的二级结构 蛋白质的二级结构是指多肽链中主链原子的局部空间排布或盘绕折叠并依靠氢键维持固定的有规律性的结构。它不涉及侧链部分的构相。 1、蛋白质的几种二级结构 蛋白质的二级结构是主链的折叠和盘绕方式，已经提出的蛋白质的二级结构模型主要有以下几种：α－螺旋、β-折叠、β-转角和无规则卷曲。 α－螺旋是人们首先肯定的一种蛋白质空间结构形式，并广泛存在于各种蛋白质的结构中。α－螺旋的结构特点如下： (1) α－螺旋结构是一个类似棒状的结构，多个肽键平面通过α－碳原子旋转，相互之间紧密盘曲成稳固的右手螺旋。肽链中氨基酸侧链R，分布在螺旋外侧。 (2)主链呈螺旋上升，每3.6个氨基酸残基上升一圈，相当于向上平移0.54nm（螺距），每个氨基酸残沿轴旋转1000；相邻两个氨基酸残基之间的轴心距为0.15 nm。 (3)相邻两圈螺旋之间借肽键中C＝O和H形成许多链内氢健，即每一个氨基酸残基中的NH和后面相隔3-4个残基的（第四？五个）C＝O之间形成氢键；氢键的取向几乎与中心轴平行。这是稳定α－螺旋的主要键。氢键环内包含13（3n+4，n≥3）个原子，因此称为3.6（13）螺旋。 (4)天然蛋白质中的α－螺旋绝大多数都是右手螺旋。 (5)影响α－螺旋结构的稳定的因素： 一条多肽链能否形成α－螺旋，且能否稳定，与其氨基酸的组成和排列顺序有极大的关系，特别是R基团的影响。由于肽链中氨基酸侧链R分布在螺旋外侧，其形状、大小及电荷都影响α－螺旋的形成。 ① R基团电荷性质的影响：酸性或碱性氨基酸集中的区域，由于同电荷相斥，不利于α－螺旋形成 ② R基团大小的影响：有较大的R基(如苯丙氨酸、色氨酸、异亮氨酸、缬氨酸)氨基酸集中的区域，也妨碍α－螺旋形成。 2)、β－折叠（β－片层）  左：顺向平行　右：逆向平行     ①是肽链相当伸展的结构，肽链平面之间折叠成锯齿状，相邻肽键平面间呈110°角。氨基酸残基的R侧链交替伸出在锯齿的上方或下方，以避免相邻侧链R基团之间的空间障碍。     ②由两条肽链或一条肽链内的两段肽链间的所有肽键的C＝O与H形成氢键，使构象稳定，氢键与肽链的长轴近于垂直。     ③两段肽链可以是平行的，也可以是反平行的。即前者两条链从"N端"到"C端"是同方向的，氢键不平行，如β－角蛋白；后者是反方向的，"N端"和"C端"交替排列，氢键近于平行，如丝蛋白。β－片层结构的形式十分多样，正、反平行能相互交替。从能量上讲，反平行结构更稳定。 蛋白质分子的构象中，肽链经常会出现180°的回折，在这种回折角处的构象就是β－转角。     没有确定规律性的部分肽链构象，肽链中肽键平面不规则排列，属于松散的无规卷曲。 定义：蛋白质的三级结构是建立在二级结构的基础上的。二级结构的基础上(包括超二级结构和结构域)再进一步盘曲或折迭形成含主链和侧链在内的具有一定规律的紧密的近似球形的专一性的三维空间结构，称为蛋白质的三级结构。        具备三维结构的蛋白质分子都有近似球状或椭圆状的物理外形，所以常常称它们为球蛋白，都具有高度的生物活性。换句话说，重要的生命活动都与蛋白质的三维结构直接相关并且对三维结构有严格的要求。所以，三维结构是蛋白质构象中的一个至关重要的等级或层次，从整体观念看，它实际包含着除亚基缔合以外的蛋白质分子结构的全部内容。在此，我们以球蛋白为典型对象来讨论蛋白质分子的三维结构。  概念：由二条或二条以上具有三级结构的多肽链组成的蛋白质，其多肽链间通过次级键相互组合而形成的空间结构的聚合体称为蛋白质的四级结构。 1、其中，每个具有独立三级结构的多肽链单位称为亚基(subunit)。由两个或多个亚基组成的蛋白称寡聚蛋白（有同源，非同源之分）。四级结构实际上是指亚基的立体排布、相互作用及接触部位的布局。 2、四级缔合的驱动力，主要还是范德华力、氢键、离子键和疏水作用等次级键。在一定的条件下，四级结构的蛋白质可分离为其组成的亚基，而亚基本身构象仍可不变。 五、稳定蛋白质三维结构的作用力 在球状蛋白质中，亲水基团多位于分子表面，而疏水基团多位于分子的内部，形成疏水的核心，蛋白质构象的稳定主要靠次级键（主要是非共价键），包括氢键、疏水键、盐键以及范德华力。这些次级键可存在于一级结构序号相隔很远的氨基酸残基的R基团之间。次级键都是非共价键，易受环境中pH、温度、离子强度等的影响，有变动的可能性。二硫键不属于次级键，但在某些肽链中能使远隔的二个肽段联系在一起，这对于蛋白质构象的稳定上起着重要作用。 氢键是保持肽链折叠结构的主要因素。它在维持蛋白质空间构象中起着重要的作用。当氢原子与一个电负性较大的原子形成共价键时，氢原子带有正电性，可与另一个电负性较强的原子形成氢键，  (2)疏水键（疏水的相互作用） 是由疏水基团为避开水相而相互靠近形成的。蛋白质分子中有许多疏水的氨基酸，蛋白质的多肽链在盘绕折叠形成特定的构象时，这些疏水侧链相互靠近趋向于分子内部以减少其与水的界面，这是蛋白质空间构象形成的驱动力之一。称为疏水力或疏水的相互作用。 范德华力是1873年，Van der Waals为修正气体的状态方程而提出的力学概念。可以是极性基团与极性基团之间、两个偶极之间的相互吸引力，也可以是极性基团的偶极与其对非极性基团的诱导而产生的诱导偶极之间的相互吸引力，即诱导力，它们共同组成范德华力。 它是存在于带相反电荷的基团之间的静电吸引力。 二硫键是两个硫原子之间所形成的共价键。它可以把不同的肽链、或同一条肽链的不同部分连接起来，对维持和稳定蛋白质的构象具有重要作用。在某些蛋白质中，二硫键一旦遭到破坏，则蛋白质的生物活性立即丧失，如核糖核酸酶有四对二硫键，在8M尿素中，用巯基乙醇处理，由于其分子中的二硫键被还原，其空间结构也随之被破坏，且丧失生物活性。除去这些试剂，被还原的二硫键可自发地重新恢复折叠结构（烫发的原理）。         以上这些次级键都是一些比较弱的化学键，但各种次级键加在一起就可产生足以维持蛋白质构象的强大作用力。 第四节 蛋白质分子结构与功能的关系 一、蛋白质的一级结构与功能的关系    蛋白质实现其生物学功能，从根本上来说是由它的一级结构决定的。1、同源（同功能）蛋白质中氨基酸顺序的种属差异与生物的分子进化 一级结构上的细微变化可直接影响其功能――分子病 分子病的概念是L．Pauling提出来的。如地中海贫血病、血浆凝血因子缺乏所引起的血友病、胰岛素分子病是由于胰岛素分子中B链第24位的苯丙氨酸被亮氨酸取代，使胰岛素成为活性很低的分子，不能降血糖。     在蛋白质的结构中，参与功能活性部位的残基或处于特定构象关键部位的残基，即使在整个分子中发生一个残基的异常，那么该蛋白质的功能也会受到明显的影响。最突出的例子就是引起人类恶性贫血并在非洲较为流行的镰刀型贫血病。正常红细胞是圆盘状的，而患有此病的人的红细胞呈镰刀型。患者有头昏、胸闷等贫血症状，其红血球在缺氧时粘结成块（表面积减少），形似镰刀，且易破裂发生溶血，严重影响与氧的结合力。    镰刀型红细胞贫血症是一种分子病。它是由于血红蛋白基因中的一个核苷酸的突变导致该蛋白分子中β链第六位的谷氨酸被缬氨酸取代，红血球聚集成镰刀状，其表面积减少，载氧能力下降，且细胞也变得脆弱而易发生溶血。  二、蛋白质空间结构与功能的关系 蛋白质的变性是可逆的，变性蛋白在一定的条件下之所以能自动折叠成天然的构象，是由于形成复杂的三维结构所需要的全部信息都包含在它的氨基酸排列顺序上，蛋白质分子多肽链的氨基酸排列顺序包含了自动形成正确的空间构象所需要的全部信息，即一级结构决定其高级结构。由于蛋白质特定的高级结构的形成，出现了它特有的生物活性。 第五节 蛋白质的重要性质 蛋白质是由氨基酸组成的大分子化合物，其理化性质一部分与氨基酸相似，如两性电离、等电点、侧链基团的反应等等；也有一部分又不同于氨基酸，如高分子量、胶体性、变性等。 一、蛋白质的两性电离和等电点     蛋白质是由氨基酸组成的，其分子中除两端的游离氨基和羧基，因此，在一定pH条件下，这些基团可以解离成带电基团，使得蛋白质带酸性或者碱性，是一种两性电解质。 作为带电颗粒它可以在电场中移动，移动方向取决于蛋白质分子所带的电荷。我们把带电大分子（胶体颗粒）在电场中的泳动现象称为电泳。蛋白质颗粒在溶液中所带的电荷，既取决于其分子组成中碱性和酸性氨基酸的含量，又受所处溶液的pH影响。不处在等电状态的蛋白质溶液其颗粒上带有同种电荷，在电场中能够向正极或负极移动。蛋白质在电场中移动的速度和方向取决于分子上所带电荷的正负性、电荷的数目及分子颗粒的大小。在一个混合蛋白质样品中，每种蛋白质在同一pH下各具有不同的带电性，再加上分子有大有小，因此在电场中能以不同的方向和速度移动，从而达到分离纯化蛋白质的目的。 当蛋白质溶液处于某一pH时，蛋白质游离成正、负离子的趋势相等，即成为兼性离子(净电荷为O)，此时溶液的pH值称为蛋白质的等电点(isoelectric point,简写pI)。各种蛋白质分子由于所含的碱性氨基酸和酸性氨基酸的数目不同，因而有各自的等电点。蛋白质的等电pH将随介质的离子组成、pH而有所变动。故测定蛋白质的等电点时，要在一定pH、离子强度的缓冲液中进行。在等电状态的蛋白质分子，其物理性质有所改变，但最显著的是溶解度最小、易沉淀，同时，粘度和导电能力也最小。     蛋白质分子量大，介于一万到百万之间，它在水中的颗粒直径在1～100nm范围之内，处于胶体颗粒的范围内。所以蛋白质具有胶体性质，如布朗运动、丁达尔现象、电泳现象、粘度大、不透过半透膜以及具有吸附力等性质。     原因：①球状蛋白质的表面多亲水基团，具有强烈地吸引水分子作用，使蛋白质分子表面常为多层水分子所包围。②蛋白质具有两性性质，在非等电点状态时，相同蛋白质带相同电荷，同性见的相斥力使其不易凝聚沉淀。基于以上两个原因，使蛋白质虽然分子量大，但仍然能构成为亲水的胶体溶液。     胶体溶液的一个很重要的性质是不能通过半透膜。所谓半透膜是指这类膜上具有小孔，只允许水及小分子物质通过，而蛋白质等大分子不能通过，故称为"半透膜"。动物体内的各种生物膜，另外像人造火棉胶、羊皮纸、玻璃纸等都是半透膜。与低分子物质比较，蛋白质分子扩散速度慢，不易透过半透膜，粘度大，在分离提纯蛋白质过程中，我们可利用蛋白质的这一性质，将混有小分子杂质的蛋白质溶液放于半透膜制成的囊内，置于流动水或适宜的缓冲液中，小分子杂质皆易从囊中透出，囊内保留了比较纯化的蛋白质，这种方法称为透析。 蛋白质的亲水胶体性质具有重要的生理意义。它能与体内大量的水结合形成各种流动性不同的胶体系统，例如细胞原生质。而且，细胞的形状、弹性、粘度等也与蛋白质亲水胶体密切相关。 蛋白质分子由于受到某些因素的影响而凝聚从溶液中析出的现象称为蛋白质沉淀作用。变性蛋白质一般易于沉淀，但也可不变性而使蛋白质沉淀；在一定条件下，变性的蛋白质也可不发生沉淀。     蛋白质所形成的亲水胶体颗粒具有两种稳定因素，即颗粒表面的水化层和电荷。然而除掉这两个稳定因素(如调节溶液pH至等电点和加入脱水剂)，蛋白质就可能因为失去电荷和水膜变得不稳定，容易凝集析出而沉淀。 1．中性盐沉淀（可逆的沉淀作用）     蛋白质发生沉淀后，若用透析等方法除去使蛋白质沉淀的因素后，可使蛋白质恢复原来的溶解状态，这就是蛋白质的可逆沉淀作用。 低浓度的中性盐溶液可使多数蛋白质的溶解度增加，这种现象称为盐溶作用。这种现象的原理是蛋白质分子表面吸附了盐离子，于是分子表面同性电荷增加，相互间的排斥增加了与水分子的相互作用，使得蛋白质的溶解度提高。 如果在蛋白质溶液中加入大量的中性盐，由于盐离子的亲水性比蛋白质强，它们将与蛋白质争夺水膜，引起蛋白质分子脱水。同时，盐又是强电解质，大量的中性盐解离能够抑制蛋白质这一弱电解质的解离，减少了蛋白质所带的电荷。蛋白质的胶体稳定性被破坏后，溶解度逐渐下降，以致从溶液中沉淀出来，这种现象称为盐析。常用的中性盐有硫酸铵、硫酸钠、氯化钠等。硫酸铵是常用的沉淀蛋白质的盐类，因它在水中的溶解度大。     不同的蛋白质由于氨基酸组成、结构和带电量不同，从溶液中析出所需要的盐的浓度不同。向含有多种蛋白质的溶液中加入不同浓度的盐，使不同的蛋白质依次从溶液中沉淀出来的方法称为分段盐析。例如先用半饱和的硫酸铵来沉淀出血浆中的球蛋白，然后加大硫酸铵的浓度至饱和，可以使清蛋白也都沉淀出来。盐析沉淀的蛋白质，经透析除盐，仍保证蛋白质的活性。这种方法常用于制备酶、激素、抗体等具有生物活性的蛋白质。 重金属盐类、有机溶剂、生物碱试剂等也可使蛋白质发生沉淀，但不能用透析等方法除去沉淀剂而使蛋白质重新溶解于原来的溶剂中，这种沉淀作用称为不可逆的沉淀作用。 （1）有机溶剂沉淀蛋白质     可与水混合的有机溶剂，如酒精、甲醇、丙酮等，对水的亲和力很大，能破坏蛋白质颗粒的水化膜，降低溶液的介电常数（是两种电荷被真空隔绝时的电势与被介质隔绝时的电势之比值），影响蛋白质分子的解离程度，使其易于聚集沉淀。在常温下，有机溶剂沉淀蛋白质往往引起变性，例如酒精消毒灭菌就是如此；但若在低温条件下则变性进行较缓慢，短时间内完成的操作可用于分离制备各种血浆蛋白质。 （2）重金属盐沉淀蛋白质     在碱性条件下蛋白质带负电，可与重金属离子如汞、铅、铜、银等离子结合，形成不溶性的重金属蛋白盐沉淀。沉淀的条件以pH稍大于等电点为宜。因为此时蛋白质分子有较多的负离子易与重金属离子结合成盐。重金属沉淀的蛋白质常是变性的，但若在低温条件下，并控制重金属离子浓度，也可用于分离制备不变性的蛋白质。     临床上利用蛋白质能与重金属盐结合的这种性质，抢救误服重金属盐中毒的病人。给病人口服大量蛋白质如牛奶或的蛋清，然后用催吐剂将结合的重金属盐呕吐出来解毒。长期从事重金属作业的人，应吃高蛋白食物，以防止重金属离子被机体吸收后造成的损害。 （3）生物碱试剂以及某些酸类沉淀蛋白质     生物碱是植物组织中具有显著生理作用的一类含氮的碱性物质。能够沉淀生物碱的试剂称为生物碱试剂，如苦味酸、钨酸、鞣酸以及某些酸(如三氯醋酸、过氯酸、硝酸) 。蛋白质在酸性条件下正电荷易于与带酸根负离子生物碱试剂结合成不溶性的盐沉淀，沉淀的条件应当是pH小于等电点。     临床血液化学分析时常利用此原理除去血液中的蛋白质，此类沉淀反应也可用于检验尿中蛋白质。"柿石症"的产生就是由于空腹吃了大量的柿子，柿子中含有单宁酸，使肠胃中的蛋白质凝固变性而成为不能被消化的"柿石"。     将接近于等电点附近的蛋白质溶液加热，可使蛋白质发生凝固而沉淀。加热首先是使蛋白质变性，有规则的肽链结构被打开呈松散状不规则的结构，分子的不对称性增加，疏水基团暴露，进而凝聚成凝胶状的蛋白块。如煮熟的鸡蛋，蛋黄和蛋清都凝固。加热沉淀法常用于从红细胞中提取较耐热的SOD。     蛋白质的变性和沉淀之间有很密切的关系。但蛋白质变性后并不一定沉淀，变性蛋白质只在等电点附近才沉淀；沉淀的变性蛋白质也不一定凝固。例如，蛋白质被强酸、强碱变性后由于蛋白质颗粒带着大量电荷，故仍溶于强酸或强减之中。但若将强碱和强酸溶液的pH调节到等电点，则变性蛋白质凝集成絮状沉淀物，若将此絮状物加热，则分子间相互盘缠而变成较为坚固的凝块。      蛋白质主链的肽键和侧链基团能与某些试剂作用，发生颜色反应。利用它的这种性质，可以确定蛋白质的存在与否。其中某些反应还可用于定量测定蛋白质。 第五节 蛋白质的分类与应用 蛋白质的种类繁多，结构复杂，迄今为止没有一个理想的分类方法。着眼的测面不同，分类也就各异。 1、从蛋白质分子的形状上，可将它们分为球状蛋白质及纤维状蛋白质。 球状蛋白：易溶解，功能性蛋白 纤维状蛋白：不溶于水，结构蛋白 2、从蛋白质组成上可分为单纯蛋白质(分子中只含氨基酸残基)及结合蛋白质(分子中除氨基酸外还有非氨基酸物质，后者称辅基)；     结合蛋白又可按其辅基的不同分为核蛋白、磷蛋白、金属蛋白、色蛋白等。 1、a.卵清蛋白、b.β－乳球蛋白和c.糜蛋白酶原的pI分别为4.6、5.2和9.1。指出在下述pH下，它们在电场中向阳极、阴极移动还是不动？①a在pH5.0②b在pH5.0和7.0③c在pH5.0、9.1和11？ 【a向阳极；b向阴极、向阳极；c向阴极、不动、向阳极】 2、蛋白质在一级结构和四级结构间还包括哪些结构？简述它们各自所包含的类型以及维持它们的作用力？ 第二章 核酸化学 掌握常见核苷酸的结构、符号和性质；核酸分子中核苷酸的连接方式、键的方向性；DNA的二级结构的特点；tRNA二级结构的特点；DNA的变性和复性概念和特点。  熟悉核蛋白体RNA的结构与功能；核酸分子杂交原理。 了解病毒的基本结构；染色体的组装和结构。 一、核酸的化学组成 （1.5学时） 二、核酸的结构 （2学时） 核苷酸的连接方式，核酸的一级结构；核酸测序的方法、原理，测序的步骤和条件。 核酸的二、三级结构（DNA、RNA）：其中 DNA 的二级结构（双螺旋结构模型），DNA 的三级结构，构型与构象，原核和真核生物基因组 DNA 的结构特点；几种RNA大致的二级结构和生理功能。 三、核酸的性质 （1.5学时） 核苷酸的性质，核酸的一般性质、重要性质，包括紫外吸收（含 增色效应与减色效应 ）、颜色反应、 变性与复性 ，分子杂交。  重点：DNA的二级结构；三种RNA的立体结构与功能；核酸的重要性质。 难点：核酸一级结构测序；超螺旋结构（DNA三级结构）  蛋白质是生物体的重要组成成分，与各种生命现象和生命活动有着密切的关系。生物体内的这些蛋白质各自都有独特的氨基酸排列顺序及空间结构。一切细胞都有合成蛋白质所必需的信息，子代细胞也知道蛋白质要怎样合成，这种信息是在细胞分裂时由亲代传递给子代的，而且是非常精确的。这种信息就是我们常说的遗传信息，它的物质基础（化学组成）就是核酸。与蛋白质一样，核酸是一切生物机体不可缺少的组成部分，是生命遗传信息的携带者和传递者。它不仅对于生命的延续、生物物种遗传特性的保持、生长发育、细胞分化等起着重要的作用，而且与生物变异，如肿瘤、遗传病、代谢病等也密切相关。因此，核酸是现代生物化学、分子生物学和医学的重要基础内容之一。 第一节 核酸的种类、分布与化学组成 核酸是生物体内又一类重要的高分子化合物，是生物体的最基本的组成物质或成分。它由许多的核苷酸通过磷酸二酯键连接而成。它存在于几乎所有的生物细胞内，具有储存和传递遗传信息的功能，对生物体的个体发育、生长、繁殖、遗传变异等生命过程中起着重要的决定作用。     根据核酸的化学组成，即核酸分子内所含的戊糖和碱基成份的不同，将其分为两大类：核糖核酸（RNA）和脱氧核糖核酸（DNA）。二者因结构不同，功能也不同。DNA是遗传物质，它作为遗传信息的载体，负责遗传信息的储存和发布，并通过复制将遗传信息传递给子代。RNA负责遗传信息的表达，转录DNA的遗传信息，参与蛋白质的生物合成，自身也发挥一定的生理功能。生物体内的核酸一般是和蛋白质结合在一起的，即以核蛋白的形式存在。 对于真核生物，DNA主要存在于核的染色质中(细胞分裂时期除外)，极少量的存在于核外，如线粒体、叶绿体。核内的DNA通常与组蛋白结合，以染色质的形式存在。 细胞内的RNA，根据其功能和性质的不同，主要的有mRNA、tRNA、rRNA三类。另外还有些小的RNA，如不均一核RNA（hnRNA）和核小RNA（snRNA）。前者是mRNA前体，后者可以促进mRNA成熟。     mRNA，即信使RNA(messenger RNA)，约占RNA总量的5-10％左右，单链结构。蛋白质合成时，mRNA结合到核糖体上，通过传递DNA上面的遗传信息，作为决定蛋白质肽链中氨基酸排列顺序的模板。 90％的RNA存在于细胞质中，10％存在于细胞核内(主要集中在核仁区)。三种RNA共同协作，在蛋白质的生物合成中起着重要作用。 组成核酸的元素有C、H、O、N、P等。与蛋白质比较，它在组成上有两个特点：一是核酸一般不含元素S；二是核酸中P元素的含量较多并且恒定，约占9～10%。因此，核酸定量测定的经典方法，是以测定P含量来代表核酸量。 2、 核酸的基本单位――核苷酸  核酸是高分子化合物，基本结构单位是核苷酸，由数量巨大的单核苷酸聚合 成长链。它被水解后可得到很多核苷酸，核苷酸又可被水解产生核苷和磷酸，核苷还可再进一步水解，产生戊糖和含氮碱基。 核酸中的戊糖有核糖(ribose)和脱氧核糖(deoxyribose)两种，分别存在于核糖核苷酸和脱氧核糖核苷酸中。 核苷酸中的碱基均为含氮杂环化合物，它们分别属于嘌呤碱和嘧啶碱。核苷酸中的嘌呤碱主要是鸟嘌呤G和腺嘌呤A；嘧啶碱主要是胞嘧啶C、尿嘧啶U和胸腺嘧啶T。DNA和RNA都含有鸟嘌呤G、腺嘌呤A和胞嘧啶C；胸腺嘧啶T一般而言只存在于DNA中，不存在于RNA中；而尿嘧啶U只存在于RNA中，不存在于DNA中。（化学结构见课本P36图2-2，2-3）

4-1 模拟量输入通道基本组成包括哪些环节，各环节的作用是什么？

⒈模拟量输入通道的基本组成

模拟量输入通道一般由前置调理电路、采样保持器、A/D转换器和计算机I/O接口电路组成，如图4-1所示。来自生产现场的过程工艺参数由传感变送器转换为模拟电信号，再依次经过前置调理、采样保持和模数转换环节，转化为数字信号，最后通过I/O接口电路由计算机接收。

图4-1  模拟量输入通道基本组成框图

传感变送器在计算机控制系统中作为广义被控对象的一个组成部分，是模拟量输入通道的信息提供者，它通常包括传感器和变送器（两者配套使用）两个部分。传感器是将某一物理量，如温度、流量、压力等生产过程工艺参数，转换为电参量的装置，电参量的形式有电流值、电压值、电阻值、电容值、电感值、电荷值和频率值等。变送器也称信号调理单元，一般包括标度变换、滤波、非线性校正、零点和满刻度调整等电路。其中标度变换电路将传感器输出的电参量进行规格化处理，变换成0～5V、1～5 或0～10mA、4～20mA等统一标准信号；有些传感器的输出信号与被测物理量之间呈非线性关系，为提高测量转换的灵敏度，可以用软件或硬件方法来实现线性化，应用硬件方法时就需要变送器中的线性化校正电路。为了便于使用，大多数传感器生产商往往将传感器与变送器做成一体，直接输出0～5V、-5V～5V、0～10V、-10V～10V等电压信号，或0～10mA、4～20mA的电流信号。传感器和变送器的种类繁多，电路组成复杂多样，有许多相关的文献和书籍，因其是广义被控对象的一部分，在本教材中不做介绍。

模拟量输入通道各组成部分的作用分述如下：

⑴前置调理电路：在计算机控制系统中，传感变送器的输出信号多数采用标准电流0～10mA或4～20mA，以便经双绞线进行远程传送。在信号到达模拟量输入通道后，需要将现场传送来的电流信号转换为电压信号。不论是电流型信号还是电压型信号，来自现场的信号本身会有噪声，在传送过程中也会受到干扰，因此需要在采样环节之前设置硬件滤波电路消除高频干扰。前置调理电路包括滤波电路和I/V转换电路，可以根据模拟信号的实际情况灵活设置。

⑵采样保持器：模拟量在进行A/D转换时需要一个过程，如果信号变化很快则A/D转换结果是不确定的。采样保持器的作用在于，保证A/D转换期间待转换的电压信号保持不变，避免引起A/D的转换误差。

⑶A/D转换器：A/D转换是模拟信号向数字信号转换的关键环节，A/D转换器一端连接模拟量输入通道的模拟电路部分，另一端连接计算机I/O接口电路，它将模拟电压信号转化为数值上等效的数字信号，以便计算机接收和识别。

⑷计算机接口和控制电路：该电路是计算机与模拟量输入通道之间的连接电路，其功能包括两个方面：一是启动A/D转换，并将结果送计算机；二是控制模拟量输入通道中的其它受控元件，如采样保持器和多路转换开关等。

4-2 简述模拟量输入通道的结构类型，并分析它们的特点。

⒉模拟量输入通道的结构类型

计算机控制系统在实际应用中往往需要检测多种物理量，或者对同一种物理量的多个参数测量点进行检测，在时间安排上采取同步检测或者巡回检测的方式。针对控制系统的技术要求，应当为模拟量输入通道选配适当的结构形式，这主要取决于需要检测的参数测量点数量和相应的时序关系。图4-1所示的模拟量输入通道，只能检测一种物理量的一个参数测量点，称为模拟量单输入通道；能完成多个参数测量点同时或巡回检测任务的模拟量输入通道，称为多路模拟量输入通道。按照A/D转换器的利用情况和各路模拟量采集时序，多路模拟量输入通道可分为两大类型，即多路独立设置A/D转换器形式和多路共享A/D转换器形式。

多路共享A/D转换器形式如图4-2（a）所示，多路模拟量输入通道由被测信号各自对应的前置调理电路（1……n）、模拟多路开关、前置放大器、采样保持器、A/D转换器、逻辑控制电路和计算机I/O接口电路组成。其中，模拟多路开关相当于一个单刀多掷开关，它的作用是把各路被测信号按预定时序分时地接入通道。该结构的特点是多路信号共同使用一个前置放大器、采样保持器和A/D转换器，由多路模拟开关轮流采入各路模拟信号，经放大、采样、保持和A/D转换，送入计算机I/O接口电路。优点是能够以较低的成本采集多路信号，但是存在两方面的缺点，一是各路信号在时间是依次被采集的，不能获得同一时刻的数据，二是多路模拟开关不是理想开关，易受失调电压、开关噪声、非线性和信号之间窜扰的影响，系统精度因此受到影响。这种形式通常用于对速度要求不高的数据采集系统中，对于要求多路信号严格同步采集测量的系统是不适用的。

（a）多路共享A/D转换器形式

（b）多路独立设置A/D转换器形式

图4-2  多路模拟量输入通道结构图

多路独立设置A/D转换器形式如图4-2（b）所示，多路模拟量输入通道由若干模拟量单输入通道并联组成。该结构的特点是每路信号都有独自的采样保持器和A/D转换器，每一组采样保持器和A/D转换器只对本路模拟信号进行转换，允许各路通道同时进行采样、保持和A/D转换，采集的数据在计算机I/0接口的协调下按一定顺序输入计算机。优点是各路通道互不影响，如果某一路产生故障，不影响其它通道正常工作，而且可同步采样，信号转换速度快。缺点是通道路数越多，成本越高，而且会使系统体积增大。这种形式通常用于高速数据采集系统，能够满足多路信号同步采集的需要。

4-3 说明模拟量输入通道的信号变换过程和香农采样定理。

⒈模拟量输入通道的信号变换

在图4-1所示的模拟量输入通道中，传感变送器输出的模拟信号经前置调理电路后，仍然是模拟电压信号，向计算机I/O接口传送还需要完成模拟信号到数字信号的转换，包括采样和量化两个过程，先是经过采样保持器实现信号采样，然后保持。在信号保持过程中，由A/D转换器实现量化过程，保持是为量化提供保障的。

通过特定的装置，获取模拟信号瞬时量值的过程，叫作采样。执行采样动作的装置是采样器（s），其采样开关（k）周期性地闭合并迅速断开。如图4-3所示，采样开关（k）为常开状态，每间隔一个时间段T闭合一次，闭合持续时间为t，然后再迅速断开。采样开关闭合持续的时间（t）是极短的，称之为采样时间，采样开关周期性闭合的时间间隔（T），称之为采样周期。采样开关随采样周期的节拍，一次次动作的时点，即0T、1T、2T、3T……，各时间点称为采样时刻。

采样器的输入端为时间连续的模拟信号y(t)，经过采样开关后在采样器的输出端产生一系列时间上离散的模拟信号y*(kT)，该系列信号称为脉冲序列信号，脉冲的宽度等于采样时间t。在t≤T的情况下，y*(kT)称为采样信号。模拟信号y(t)在t= kT采样时刻转换为采样信号y*(kT)的过程，称为采样过程或离散过程。

采样信号时间上离散而在幅值上仍是模拟量，需经过A/D转换成为相应的数字量，才能被计算机接收处理。完成A/D转换总需要一定的时间，为保证测量结果的准确性，需要将采样信号保持到下一采样时刻到来，至少要保持A/D转换结束。因此需要在采样器的基础上增加保持器的功能，统称为采样保持器（S/H）。

图4-4  采样保持器电路原理图

采样保持器的工作原理如图4-4所示，采样保持器（S/H）由采样开关（K）、保持电容（CH）、输入缓冲放大器（A1）、输出缓冲放大器（A2）和控制端（P）组成。在控制端（P）的作用下，S/H有两种工作方式：一种是采样方式，另一种是保持方式。当采样开关（K）闭合时，S/H处于采样状态，输入电压信号y(t)通过缓冲放大器（A1）对保持电容（CH）快速充电，保持电容（CH）的电压迅速达到输入模拟信号y(t)的电压值，S/H的输出跟随输入的模拟电压信号。当采样开关（K）断开，保持电容（CH）的电容电压与采样时刻y(kT)的电压瞬时量值相同，输出缓冲放大器（A2）的输出电压与保持电容（CH）的电容电压相同，由于输出缓冲放大器（A2）的输入阻抗极高，可使电容电压衰减很慢，在理想情况下可将本次采样信号y*(kT)维持到下一采样时刻到来。采样与保持的过程如图4-5所示。

图4-5  采样与保持过程示意图

将采样信号转化为相应的数字信号的过程，称为量化。在采样信号被保持期间，A/D转换器执行量化动作。设有一个n位字长的A/D转换器，将量程为Ymax～Ymin范围内的采样信号y*(kT)，变换为0～（2n-1）范围内的数字信号，共有2n种可能的取值。它能分辨的最小模拟量值q，称为量化单位。

式（4-1）表明，量化单位是A/D转换器输出的数字量中最低位为1、其它位均为0时所对应的模拟量，也称为1LSB。实际上，量化就是把待测模拟信号转化为量化单位（q）的整数倍的过程，即以q为法码来衡量待测模拟信号幅值高低的小数取整过程。量化算法表达式下：

式（4-2）中y*(kT)为采样保持器输出的待测模拟量，Ymin表示A/D转换器量程的下限，q是量化单位，[  ]表示取整运算，YN为y*(kT)对应的数字量。在A/D转换过程中，由于（y*(kT)-Ymin）不一定恰好被量化单位整除，余数被近似处理的结果必然产生误差，该误差称为量化误差。A/D转换器对式（4-2）进行计算产生的余数，有两种处理方法，即截尾法和舍入法。

截尾法规定，凡是小于量化单位的余数均视为零。所产生的量化误差始终为正数，其值随机分布在0～q之间。最大量化误差为q，即。

舍入法规定，小于半个量化单位的余数视为零，大于或等于半个量化单位的余数则计入为1。所产生的量化误差可能为正，也可能为负，其值随机分布在之间，最大误差为，即。一般情况下，A/D转换器总存在的量化误差，因为舍入法的量化误差小，所以被大多数A/D转换器所采用。

⒉模拟量输入通道的相关定理

模拟量输入通道的信号变换过程及信号形态的变化，可在图4-6集中体现出来，由此产生的问题是：采样信号y^*(kT)能否反映原模拟信号y(t)的全部信息，怎样才能如实地反映模拟信号y(t)的所有变化与特征？

图4-6  模拟量输入通道信号变换过程示意图

采样信号y^*(kT)仅获得模拟信号y(t)在t=KT(K=0,1,2,3……)时刻的瞬时值，而相邻两次采样相隔时间段内的模拟信号y(t)的信息则处于检测盲区。如果采样周期越长则丢失的信息就越多，反之，采样的频率越高，采样信息y^*(kT)的系列值越可以逼真地反映模拟信号y(t)。同时，也不能认为采样频率越高越好，因为采样频率越高，计算机会把许多宝贵的时间用于采样，而无法进行数据分析和算法处理，从而失去实时控制的机会。那么在确保采样信号y^*(kT)能唯一地复现模拟信号y(t)的条件下，采样频率最低取多少为宜呢？香农采样定理指出：如果模拟信号（包括噪声干扰在内）频谱的最高频率为，只要按照采样频率≥2进行采样，那么采样信号y^*(kT)就能唯一地复现模拟信号y(t)。在实际的计算机控制系统中，通常取≥（5～10）。

香农采样定理仅给出了采样信号能恢复模拟信号的理论依据，然而并非所有的模拟信号y(t)都是有限带宽，有的y(t)的最高频率是很难确定的。如果模拟信号y(t)中含有高于的频率分量，则会产生频率混淆。因此模拟量输入通道中一般都设置低通滤波器，截频，把高于的频率分量，即满足采样定理。当然，如果被采样模拟量y(t)的频谱中不包含高于的频率分量，或者即使存在也很微弱，那就不必增加去混淆滤波环节。设置低通滤波器之后，去混淆滤波器的截频即为被测信号的最高频率，与采样周期保持固定的关系，即：

式中，C为选定的截频因数，根据香农采样定理，至少C＞2， C通常取5～10。确定工程实际需要的采样频率有两条途径：一条是根据信号的最高频率（去混淆滤波后），按照香农采样定理取≥（5～10）；另一条是根据工业参数的经验采样时间，确定。表6-1列出了过程控制中各种物理量检测时采样周期选取的经验值。

4-4 为什么A/D转换需要采样/保持器？是否设置采样/保持器的依据是什么？

采样保持器的工作原理如图4-4所示，采样保持器（S/H）由采样开关（K）、保持电容（CH）、输入缓冲放大器（A1）、输出缓冲放大器（A2）和控制端（P）组成。在控制端（P）的作用下，S/H有两种工作方式：一种是采样方式，另一种是保持方式。当采样开关（K）闭合时，S/H处于采样状态，输入电压信号y(t)通过缓冲放大器（A1）对保持电容（CH）快速充电，保持电容（CH）的电压迅速达到输入模拟信号y(t)的电压值，S/H的输出跟随输入的模拟电压信号。当采样开关（K）断开，保持电容（CH）的电容电压与采样时刻y(kT)的电压瞬时量值相同，输出缓冲放大器（A2）的输出电压与保持电容（CH）的电容电压相同，由于输出缓冲放大器（A2）的输入阻抗极高，可使电容电压衰减很慢，在理想情况下可将本次采样信号y*(kT)维持到下一采样时刻到来。采样与保持的过程如图4-5所示。

图4-5  采样与保持过程示意图

如果直接将模拟量送入A/D转换器进行转换，则应考虑到任何一种A/D转换器都需要有一定的时间来完成量化及编码的操作。在转换过程中，如果模拟量产生变化，将直接影响转换结果。特别是在同步系统中，几个并列的参量均需取自同一瞬时，如果所得到的采样结果不是同一时刻的值，就无法进行计算和比较。所以要求输入到A/D转换器的模拟量在整个转换过程中保持不变，但转换之后，又要求A/D转换器的输入信号及时跟随模拟量变化，能够在完成上述任务的器件叫采样/保持器（Sample/Hold），简称S/H。描述上述采样/保持过程的示意曲线图，如图4-15所示。

采样/保持器的作用如下：

①稳定地保持模拟信号以便能够完成A/D转换；

②在测量中同时对若干个模拟输入量采样（每个输入需要一个采样/保持电路）；

③消除A/D转换器的输出瞬变，如限制输出电压的尖峰。

假定A/D转换器之前无采样/保持器，直接对正弦波信号进行转换，则A/D转换器的转换时间基本上就等于采样时间，用t_c表示。如图4-16所示，正弦信号的最大变化率为：，

由上式可以看出，采样时间t_C内信号幅值允许变化为一个量化单元q（1LSB）时，在没有使用保持电路的条件下允许采样的最大信号频率是：，即：

若A/D转换器使用n位编码，满量程为2E，则  ，此时。

从上式可以看出，被采样的信号频率受A/D转换器的分辨率和采样速度的限制。

4-5 模拟量输入通道的性能指标包括哪些内容？A/D转换速度和A/D转换位数如何确定？

模拟量输入通道的性能指标如下：

⑴输入信号量程和类型：输入量程是指所能转变的电压或电流幅值的范围，常见的有0～5V，0～10V，-2.5V～2.5V，-5V～5V,-10V～10V，以及4～20mA、0～10mA等，或直接输入毫伏级电压信号，输入方式有单端输入和差分输入两种。

⑵输入通道数目和结构类型：由现场模拟量参数测量点的数量，决定采取模拟量单输入通道或多路模拟量输入通道；根据系统对各路模拟量采样的时序要求，选择多路共享A/D转换器形式或多路独立设置A/D转换器形式。

⑶分辨率：分辨率是指能对转换结果发生影响的最小输入量，与转换成数字量的二进制位数相对应。分辨率越高，转换时对输入模拟信号变化的反应就越灵敏，常用的分辨率有8位、10位、12位和16位等，由A/D转换器所决定。对二进制而言，实际分辨值为，n为位数。分辨率有时也用十进制位数表示，如位、位…位是对十进制而言，实际分辨值为。

⑷精度：是指转换后所得结果相对于实际值的偏差，有绝对精度和相对精度两种表示法。常用数字量的位数作为度量绝对精度的单位，如精度为最低位LSB的1/2，即为1/2LSB。相对精度常用百分比来表示满量程时的相对误差，如“±0.04%FSR25℃”，表示在25℃环境温度下，相对满量程时的相对误差为0.04%。工业常用仪表精度为0.1级、0.2级、0.5级、1.0级、1.5级等，其对应的相对误差是该值加百分号。一般情况是分辨率越高，精度越高。但这又是两个不同的指标概念，例如分辨率即使很高，但由于温度漂移、线性不良等原因使得附加误差很大，总的精度并不一定很高。

⑸采样速率：是指每秒能转换多少个点（通道）或对一个通道重复采样多少次，采样速率决定了A/D转换的速率。采样速率高，则在一定时间内采样点就多，对信号的数字表达就越精确。根据采样定理，采样频率必须是信号最高频率的两倍以上，采集到的数据才可以有效地复现出原始的采集信号。

在上述指标中，分辨率、精度和采样速率是关键性指标，其中分辨率的设置应服从于精度的要求。系统的精度既与传感器和变送器有关，又与模拟量输入通道有关，在设计上可采取如下办法进行误差分配。

A/D转换器是模拟量输入通道的核心部件，它的转换位数和转换速度与模拟量输入通道的精度、分辨率和采样速率密切相关，因此要着重了解A/D转换位数和转换速度的确定方法。

⑴A/D转换位数的确定

假定传感变送器的量程为0～Y_max，分辨率为Y_min，实质上Y_min即为传感变送器在零点的绝对误差，通过调整信号检测装置的零位，可以使Y_min是整个量程范围内的最大绝对误差，则传感变送器的相对误差可以表示为。传感变送器的输出即为A/D转换器的输入，两者的量程范围应该是相同的，而A/D转换器的最大绝对误差可以调节为量化单位q，其相对误差可以表示为

A/D转换位数也可以按分配的误差进行推测，系统要求模拟量输入通道的精度指标δ，n位ADC量化误差为±LSB，即满度值的；按选择元件精度的一般规则，每个元件的精度指标应优于系统精度的10倍左右。可由式（4-6）估算所需A/D转换器的位数n。

4-6 模拟量输入通道为何需要设置滤波环节？数字滤波和模拟滤波器各自有何特点？

计算机控制系统处理原始采样数据的一般流程是，先进行数字滤波，获得代表被测量的“真值”；再进行标度变换，获得有物理量纲的数值；最后才送去显示或进行控制计算。

⒈模拟量输入通道的数字滤波

在计算机控制系统中，由于被控对象的环境一般比较恶劣，存在各种干扰源，如环境温度、电场、磁场等，使来自传感器及其变送器的被测信号中混入了随机性的干扰信号，而干扰信号的存在会导致A/D采样的数值偏离真实值。为了准确地测量和控制，需要通过模拟滤波器和数字滤波器统筹配置，以减小乃至消除叠加在被测信号中的随机干扰信号。数字滤波即通过一定的计算程序，对多次采样数据进行加工处理，减小或消除干扰信号在有用信号中的比重，确保测量和控制精度，提高计算机控制系统的可靠性与稳定性。

模拟模拟器和数字滤波器各有所长，互为补充。数字滤波不能解决连续信号中有频率高于奈奎斯特频率的分量所引起的混淆问题，只能依靠模拟滤器来实现；模拟滤波器由于受到电容容量的限制，对频率很低的信号无法实现滤波，而数字滤波恰好适用于0～频率段信号的滤波。因此，数字滤波器不能完全取代模拟滤波器，通常在模拟信号输入通道配置RC低通滤波器以抑制高频干扰信号，同时在计算机软件中采用数字滤波器对低频干扰信号进行滤波，以弥补RC低通滤波器的不足。数字滤波器不需要增加硬件设备，可以根据需要选择不同的滤波方法和滤波器参数。

4-7 常用的数字滤波方法有哪些？简述它们各自的含义和应用场合。

在工业现场由于大功率用电设备的启动或停止，会造成电流的尖峰干扰。这种随机脉冲干扰通过变送器进入模拟量输入通道，从而造成测量信号的严重失真。经验表明，许多物理量的变化都需要一定的时间，相邻两次采样值之间的变化幅度有一定的限度。限幅滤波是根据这种实际经验，确定出相邻两次采样信号之间可能出现的最大偏差，以此作为程序判断的标准。当本次采样值和上次采样值的差值小于或等于，则本次采样值有效；当本次采样值和上次采样值的差值大于，则取上次采样值作为本次采样值。即

该方法对变化比较缓慢的输入量，如温度、液位等信号，滤波效果较好。在应用该方法时，关键在于的取值。一般按照被测参数可能的最大变化速度及采样周期来测算值，即。

中位值滤波就是在采样时刻，对某一被测参数连续采样次（取为奇数），得到采样序列、……，然后将其从大到小或从小到大排序，取中间值为本次采样值。

该方法对于滤除偶然因素引起的波动，或者仪器不稳定所引起的脉冲干扰比较有效。适用于物理量变化缓慢的被测参数，如温度、液位等过程参数测量。

算术平均值滤波的方法是，在采样时刻，对被测参数连续采样次，得到采样序列、……，将这个数的算术平均值作为本次采样值，其数学表达式为：

该方法对于滤除周期性脉动干扰比较有效，如信号本身在某一数值范围附近作上下波动的情况。适用于变化比较快的参数，如压力、流量等在检测时的数字滤波。取值越大，对信号滤波的平滑程度越高，但灵敏度降低，同时采样时间也增加。在一个采样周期内，采样次数的取值决定于对参数平滑度和灵敏度的要求，应视具体对象而定。流量测量时，取；压力测量时，取。

滑动平均值滤波也称为递推平均滤波，把个采样数据看成一个队列，从队首到队尾依次、、……、、、，每进行一次新的采样，把测量结果作为队尾，将保留时间最长的采样队首数据移走，其余数据依次向队首方向移动一位，然后把队列中的个数据进行算术平均就可得到新的滤波值。其数学表达式为：

式中，为经滤波后输出的第次采样值，为队列中未经滤波的第次采样值，为队列中数据项数。

与算术平均值滤波法相比，滑动平均值滤波有很强的优势。前者在每一个采样时刻到来时都要采样次，如果通道采样速度较慢而系统要求计算速度较高，则该方法是不适用的。后者在每一个采样时刻只进行一次采样，就可以计算得到滤波结果，因而减少了总的采样次数，减少了占用计算机的时间。

滑动平均值滤波算法对周期性干扰有良好的抑制作用，平滑度高，但灵敏度低，对偶然出现的脉冲性抑制作用差。在工程应用中的经验值如表4-4所示。

在算术平均值滤波和滑动平均值滤波算法中，次采样值在输出结果中的权重是均等的。因此对时变信号会引入滞后，越大则滞后越严重。为了提高系统对当前采样值的灵敏度，需要改进滑动平均滤波算法，增加最近采样数据的比重。即不同时刻的采样数据赋予不同的权值，越靠近当前时刻的数据，其权值取得越大。加权滑动平均值滤波算法为：

式中为经滤波后输出的第次采样值，为第次采样值，、、……为常数，且满足以下条件：

该算法适用于有较大纯滞后时间常数的对象和采样周期较短的系统，而对于纯滞后时间常数较小、采期周期较长、变化缓慢的信号，因其不能迅速反映当前所受干扰的严重程度，故滤波效果差。

一阶惯性滤波即仿照RC低通滤波器的方式，用数字形式实现低通滤波。对第次采样值的滤波算法为：

式中表示本次采样经滤波值后的输出值，为本次采样值，表示滤波器的上次输出值，为滤波常数，。

该方法对于周期性干扰具有良好的抑制作用，不足之处是相位滞后，灵敏度低，同时它不能滤除频率高于采样频率1/2（即奈奎斯特频率）的干扰信号。

模拟量输入通道在接收工业现场信号过程中，所受的扰动往往不是单一的，如有时既受随机性脉冲干扰，也受周期性脉动干扰。复合数字滤波就是把两种以上的滤波方法结合使用，以进一步提高滤波效果。例如防脉冲干扰平均值滤波算法就是一种复合数字滤波方法，以算术平均滤波或加权平均值波动对周期性的脉动采样值进行平滑加工，以中值滤波滤除随机的脉冲干扰。具体操作算法是：

式中…为在采样时刻对被测参数的采样序列，其中为该序列中的最大值，为该序列中的最小值。该方法集中了平均值滤波算法和中位值滤波算法的优点，所以对缓慢变化的过程变量和快速变化的过程变量都能起到良好的滤波效果。

上面介绍了几种常用的数字滤波方法，每种都有各自的特点，可根据具体的测量对象合理地选用。特别说明的是：数字滤波在过程控制中并非一定需要，应根据具体情况，经过实验和分析加以选用。不适当地使用数字滤波，可能将待控制的偏差值滤掉，反而会降低控制效果，甚至失控。

4-8 用8051系列单片机和ADC0809设计一个8通道的数据采集电路，ADC0809参考电压UREF（+）=5.12V，UREF（-）=0V，要求：⑴画出硬件电路图；⑵自行设计程序，并画出程序流程图；⑶求其量化单位，当0#通道输入模拟信号为3.67V，对应的数字量是多少？⑷ 如0#通道测量温度，其量程为10℃～50℃，A/D采样值经数字滤波后得到的数值为7BH，那么本次采样获得的温度值是多少？

A/D数据采集系统硬件电路如图4-23所示。

（1）51单片机、时钟电路和复位电路构成一个基本的单片机系统。

（2）在单片机外部扩展ADC0809芯片，单片机的P0口与ADC0809的数据输出口D0~D7相连，用于接收A/D转换后的数据。

（3）ADC0809的工作频率由外部时钟振荡电路提供。

（4）ADC0809芯片的3个地址选择端连接到单片机的P0口，由编程实现模拟通道的选择。本项目中选择0通道。

（5）0通道（ADC0809的IN0端）接液位传感器的正输出端，负输出端接地，注意传感器地与单片机地要共地。

（6）当单片机接收到液位值经计算处理后，在7289上显示出来，其硬件连线见图2-1。

A/D转换程序流程图如图4-25所示，在程序中给出ADC0809所需要的转换控制信号，采用延时方式等待数据的转换完成。

根据式（4-1），它的量化单位是：；

若输入模拟电压为3.67V，由式（4-2）及舍入法，求得量化结果为：

5-1 什么是模拟量输出通道？它是由哪些部分组成的？

模拟量输出通道（Analog Output ，缩写AO）是计算机控制系统实现控制输出的关键部件，它的任务把计算机输出的数字量信号转换成相应的模拟量信号（如电压、电流信号），以便驱动执行机构，以达到对被控对象进行控制的目的。

分析和设计模拟量输出通道，需要了解模拟量输出通道的一般结构，并且掌握其中的各个环节。本章首先讲述模拟量输出通道的两种基本结构形式，然后依次说明数模转换器的工作原理、性能指标、与计算机的接口电路，以及电压／电流变换器和信号隔离技术。

5-2 模拟量输出通道的结构有几种形式？各有何特点？

输出保持分为数字量保持和模拟量保持，因此，输出通道也有两种基本结构形式。一种结构如图5-2所示，在这种结构中每一个通道都有一个D/A转换器。D/A转换器是按照采样周期T对控制器输出的数字量进行D/A转换的，但由于D/A转换器具有数据输入锁存功能，它能够在接收下一组数字量之前，一直保持前一组数字量不变，因而D/A转换器的输出模拟量，能够在一个采样周期内保持不变，也就是说，D/A转换器本身就具有零阶保持器的功能。

零阶保持作用的实质，就是在两次输出模拟量之间进行插值，插值的结果能够使时间轴上的离散信号，变为时间轴上的连续信号，是由数字控制信号重构模拟控制信号的重要步骤。

图中各个部分的作用为：

I/O接口：接受来自主机系统总线的数据、地址及控制信号，并向主机送应答信号。主要包括数据缓冲器、地址译码器、数据寄存器以及相应的控制逻辑。

D/A转换器：作用是将数字量转换成相应的模拟量。

隔离级：将计算机与被控对象隔离开来，以防止来自现场的干扰。图中所示为模拟侧隔离，另外也可将隔离级放到D/A转换器之前，构成数字侧隔离。

输出级：由运算放大器、V/I转换器等组成，以提供不同形式的输出信号。

执行器：作用是接受计算机发出的控制信号，并把它转换成调整机构的动作，使生产过程按照预先规定的要求正常进行。它包括电动、气动和液压执行器。

这种结构的优点是转换速度快、工作可靠、精度高且各个通道相互独立而互不影响；缺点是要使用较多的D/A转换器，投资偏高，在工业过程控制中多采用此种形式。

另一种结构如图5-3所示，其多个输出通道共享一个D/A转换器，这种结构需要在每一个输出通道中都加入一个采样保持器（S/H），是采用模拟量保持的方案。

图中的采样保持电路（S/H）的作用，是将D/A转换器输出的离散模拟信号转换成执行器能够接受的连续信号，即把上一采样时刻的输出值保持到下一次采样输出。这种结构的优点是节省D/A转换器，但由于共用一个D/A，故它必须在CPU的控制下分时工作，即D/A转换器依次把数字量转换成模拟电压（或电流），通过多路模拟开关传送给各路输出采样保持器（S/H）。而S/H又不能长久保持信号不变，因此这种结构精度较差，只适用于转换速度要求不高、通路较多的系统中。由于S/H和多路开关在前章已详细叙述，因此下面将分别讲述图5-2中D/A转换器、输出级常用的电压/电流转换(V/I)电路。

5-3 为何有的模拟量输出通道需要设置采样保持器？

图中的采样保持电路（S/H）的作用，是将D/A转换器输出的离散模拟信号转换成执行器能够接受的连续信号，即把上一采样时刻的输出值保持到下一次采样输出。这种结构的优点是节省D/A转换器，但由于共用一个D/A，故它必须在CPU的控制下分时工作，即D/A转换器依次把数字量转换成模拟电压（或电流），通过多路模拟开关传送给各路输出采样保持器（S/H）。而S/H又不能长久保持信号不变，因此这种结构精度较差，只适用于转换速度要求不高、通路较多的系统中。由于S/H和多路开关在前章已详细叙述，因此下面将分别讲述图5-2中D/A转换器、输出级常用的电压/电流转换(V/I)电路。

5-4 为何在模拟量输出通道中通常有V/I转换电路？

因为电流信号易于远距离传送，且不易受干扰，因而在输入、输出通道中常以电流信号来传送信息，此外测控系统中的有些仪表只提供电流输入口，这些都需要采用V/I变换器将电压信号转换成相应的电流信号。实现V/I变换可以采用专用的电流输出型运放F3080和F3094来实现；也可以利用通用运放构成V/I变换电路；还有适用于高精度要求的集成V/I转换器，如AD694、2B20/21等。

⒈　采用F3080组成的V/I变换电路

F3080是电流输出型运放，其输入特性与通常运放是相同的，而输出是以电流的形式出现。

图5-11是用F3080 组成的基本V/I变换电路。图中I_ABC为⑤脚注入电流，可在0.1μA～500μA 范围内自由设置，可以是直流或交流控制信号。采用直流控制就成为可控式V/I转换器。W用做失调补偿，使V_i=0V时输出I_o=0。F3080的失调温漂虽然不太大（约3μV/℃），但对于0mV～50mV小信号输入仍然可能产生约1%的误差，因此其仅适用于精度要求一般的场合。输出电流I_o≈19.2I_ABCV_i。

⒉　运放V/I变换电路

采用通用运放实现V/I的方法很多，考虑实际电流信号多采用统一标准值（0mA～10mA或4mA～20mA），故这里只介绍如图5-12所示的V/I转换电路。

由图可见，两个运放A1、A2均接成射随输出形式。在稳定工作时V_i=V₁，所以

在稳定状态下，V₂=V₃，I_f≈I_o，故

式中：R₁、R₂、R_f均为精密电阻，所以输出电流I。线性比例于输入电压V_i，且与负载无关，即近似于恒流。若R₁=5kΩ，R2=2 kΩ, R3=100Ω,当V_i=1V～5V时，输出电流I_o=4mA～20mA。

采用普通运放和分立元件构成的V/I转换电路结构简单，价格低，但精度受外接电阻等元件的性能及参数匹配的影响很大，故对精度要求较高的场合应采用集成V/I转换器。下面就以美国AD公司生产的ZF2B20/21为例予以介绍。ZF2B20/21电压/电流转换器的外引脚图如图5-13所示，输入电压范围为0V～10V，输出电流为4mA～20mA，采用单正电源供电，电源电压范围为10V～32V。其特点是低漂移，在工作温度为-25℃～+85℃范围内，最大漂移为0.005%℃；其输入电阻为10kΩ，非线性小于0.025%，动态响应时间小于25ms。

利用ZF2B20/21实现V/I转换，只需外接很少的调节元件即可，图5-14外接初始校准电位器即可实现0V～10V/4mA～20mA的转换，图5-15是一种带满度校准的0V～10V/0mA～10mA的转换电路。

5-5 DAC0832与CPU有几种连接方式？各有何用途？

D/A转换器的种类很多，这里以DAC0832为例介绍其与单片机的接口电路。DAC0832是8位分辨率的D/A芯片，与微处理器完全兼容，具有价格低廉、接口简单、转换控制容易等优点，在单片机应用系统中得到了广泛的使用。

DAC0832的结构框图如图5-7所示，它由8位输入寄存器、8位DAC寄存器、8位D/A转换器及转换控制电路组成，可直接与CPU总线连接。

图中输入寄存器用来锁存数据总线上送来的数据。当输入锁存允许信号I_LE、片选信号和写控制信号同时有效时，数据总线DI₇～DI₀上的数据送输入寄存器锁存。当写控制信号和传送控制信号同时有效时，输入寄存器中的数据送DAC寄存器，然后由D/A转换电路进行转换，最后在和端获得模拟量的输出信号。V_REF为基准电压，其范围为-10V～+10V。Vcc可在+5～+15V范围内选取。

DAC0832是电流型输出，外接运算放大器可以获得单极性或双极性模拟电压，如图5-8所示。图中，A点输出为单极性模拟电压，其值为

从B点输出为双极性模拟电压，其值为

以上两式输出电压的极性由V_REF确定。其中的数字量是指DAC0832的数字量输入，其范围为00～FFH，在计算时应将其转换成十进制数。如若V_REF=+5V，则A点的输出电压可算得为0V～-5V，B点输出电压为-5V～+5V。

DAC0832与MCS-51单片机有两种基本的接口方法，即单缓冲器方式和双缓冲同步接法。

①单缓冲器方式　单缓冲方式是使DAC0832中的输入寄存器和DAC寄存器中的任意一个始终处于常通方式或同时处在选通和锁存的工作状态。它适用于系统只有一路D/A转换或虽然是多路转换但不要求同步输出时采用。单缓冲器方式的电路有三种接法：一是DAC寄存器处在常通状态时，、接地，使输入寄存器成选通工作状态；二是输入寄存器处在常通状态时，、接地，I_LE接高电平，使DAC处在选通工作状态；三是两个寄存器同时处于选通及锁存工作状态时，I_LE接高电平，和同时接受芯片选中信号，而、同时与CPU的相连。图5-9是采用第三种接法的单缓冲器方式接口电路。图中和都与8031的高位地址线P_2.7相连。由于0832具有数字量的输入锁存功能，故数字量可直接从P₀口送给0832。

图5-9　DAC0832单缓冲器方式单极输出接口电路

可见，DAC0832的口地址为7FFFH。执行下面的程序段，可以完成一次D/A转换：

DAC0832芯片内有输入寄存器和DAC寄存器，它们和、锁存控制信号构成两级锁存。这样，若要求多个数据同时转换输出时，可以先将这些数据分别送入对应的多路D/A转换器的输入寄存器中保存，待所有数据传送完毕后，再对所有的D/A转换器同时发出转换控制信号，使各D/A转换器将输入寄存器中的数据同时送至各自的DAC寄存器中，因而实现同步转换输出。设现有两组8位数据，每组中均有8个数据，分别存在以#DATA1和DATA2为首地址的内存中。若要对两组数据同时转换并单极性输出，可用图5-10电路实现。

图中P_2.5和P_2.6分别用于两路D/A转换器的输入寄存器的选择及锁存控制，P_2.7与两路D/A转换器的端相连用于控制同步转换输出，两路的、均与CPU的写信号相连。上面问题的实现程序如下：

5-6 试用DAC0832与单片机设计一个单缓冲的D/A转换器，要求绘制接口电路图，编写程序，使DAC0832产生方波、三角波和锯齿波，并画出波形，标明波峰和波谷的电压值。

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