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🏆 今日精选（来自 GitHub）

• 项目名称：μSMU（开源源测量单元）
• 项目类型：源测量单元（SMU）/ 四象限源表 —— 延伸方向（精密可调电源 + 微电流测量）
• 项目链接：https://github.com/joeltroughton/uSMU
• 项目图片：

μSMU v1.0 PCB 渲染（USB-C 接口 + BNC DUT 接口 + 三色状态灯）：

KiCad 3D 渲染下可见 USB-C 供电/通信接口（J2）、DUT 测试接口（J3 BNC）、四颗 RGB 三色状态 LED（D1~D4 显示 LIMIT/SRC/SNK/SMU ON）、SWD 调试焊盘（J1），以及隔离 ±9.7 V 开关电源电感 L1/L2 与运放屏蔽分区，整体只在 70×43 mm 的名片大小板上完成全部功能。

μSMU 浏览器端 I-V 曲线测试上位机（Undalogic Web Tracer，2025 实测截图）：

Undalogic 官方浏览器端 I-V 曲线测试界面，支持 Basic I-V 与 Solar Cell I-V 两种扫描模式，Start/Stop/Step Size/Dwell Time/Current Limit 全可调，结果表自动计算 Voc / Jsc / FF / PCE 四个电池参数并支持 CSV/ZIP 导出，浏览器到仪器全程无外部安装。

• 硬件平台：STM32F072CBU6（ARM Cortex-M0 / 48 MHz，16 KB SRAM + 128 KB Flash + 12-bit DAC + 无晶振 USB FS 2.0） + 模拟前端 LT1970 功率运放 / DAC8571 16-bit I²C 电压 DAC / TI PGA281 0.125~176 倍可编程增益仪表放大器 / TI ADS1115 16-bit ΔΣ ADC / MCP1501 4.096 V 基准 + TPS65131 隔离 ±9.7 V 开关电源
• 开源状态：KiCad 完整原理图与 PCB 源（v5 / v10 / v10r1 三版）+ 原理图 PDF + Gerber 制造文件 + CSV/HTML BOM；硬件 CERN-OHL-P-2.0、固件 GPL-3.0、文档 CC-BY-4.0
• 核心亮点：
  • 16-bit DAC（电压）+ 16-bit ADC（电压/电流双通道）+ 0.125~176 倍可编程增益电流放大器，电压分辨率 ~0.6 mV、电流分辨率 ~100 nA，覆盖 ±5 V / ±50 mA 四象限输出，可编程电流限制 ±1~50 mA。
  • 70×43 mm 名片大小 PCB，整机（含外壳）93×47×25 mm / 55 g，USB-C 单线同时供电+通信，20 Hz 采样、2 线 BNC DUT 输出，单 USB-C 即可在任何笔记本上完成太阳能电池、LED、传感器的小信号特性扫描。
  • 配套 Undalogic 浏览器端 I-V 测试上位机（实测从浏览器直接出曲线+算 Voc/Jsc/FF/PCE）+ Python 库Undalogic/usmu_py（PyPI 可直接 pip）+ SweepMe! 多仪器无代码自动化驱动，三档软件栈齐全。
  • 商业化已实物验证：Undalogic 官方售卖成品 £150（不含税），Tindie 渠道同步在售，作者在 Solar Cell 实验室完成了真实太阳能电池的 Voc/Jsc/FF 验证。
• 推荐理由：把 Keithley 2400 系列的精密源测测量能力压到一张信用卡大小、CERN-OHL-P-2.0 全套开源、商业化版本已上 Tindie / Undalogic 实物验证——是 GitHub 上极少数能把「SMU 这种专业仪器」做到学生/创客能负担的开源硬件项目，正好对应 MEMORY 复访优先清单里 SMU 子方向（64-32-16/A-SMU、joeltroughton/uSMU 可观察）里第一个站得住脚的成熟项目。相对 09-04 期 Forwarder 1kW 的大功率 AC-DC 前端，本期切入的是「USB 单线供电、超便携、四象限精密源测」的子方向。

📋 项目简介

μSMU 是英国开发者 Joel Troughton（@joeltroughton）设计、目前由其创办的 Undalogic 商业化运营的一台 USB-C 单线接口、四象限源测量单元，目标是替代科研与教学中成本过高的 Keithley 2400 系列 SMU，把太阳能电池 I-V 特性扫描、LED V-I 曲线、传感器标定等场景做到学生/创客能负担的预算内。整机只需一根 USB-C 数据线，插上后系统把它枚举成 USB CDC 虚拟串口，浏览器、Python、SweepMe! 三种入口都能直接控制，无需任何外部供电或额外驱动。设计上刻意把「电压源」「电流源」「电压表」「电流表」四象限集成到一块 70×43 mm 的 PCB 上，配合 LT1970 功率运放与 PGA281 可编程增益仪表放大器，可以同时驱动 DUT 并回读电压/电流，再由 STM32F072 通过 I²C 总线同步控制 DAC 和 ADC。

仓库内容非常齐整：KiCad 完整原理图与 PCB 源（v5 / v10 / v10r1 三版，最新 v10r1 修复了 MCU 接地焊盘的 errata）、矢量原理图 PDF（v5/v10/v10r1 各一份）、Gerber 制造文件、CSV 与交互式 HTML BOM、Firmware/ 子目录（STM32CubeIDE 工程）、README 把 ±5 V/±50 mA/100 nA/0.6 mV 四象限能力写得清清楚楚。硬件以 CERN-OHL-P-2.0 许可开源，固件 GPL-3.0，文档 CC-BY-4.0；作者同时维护 Undalogic 商业化版本，Tindie / Undalogic 官方商店同步在售 £150（含测试线，不含税）。Undalogic 组织下另有usmu_py（MIT，PyPI 可装）、minismu_py（下一代 miniSMU MS01 驱动，2026-07 更新）、instrument-drivers（通用仪器驱动集，2026-07 更新）三套配套软件库，使整个生态处于活跃维护状态。

🔍 什么是源测量单元（SMU）

在说 μSMU 之前，先把 SMU 这个概念拆开。源测量单元（Source Measure Unit，SMU）是把「精密电源 + 精密万用表」塞进同一台机器、并且能在电压-电流平面的四个象限里全区间工作的仪器。听起来像「电源+万用表合体」，但真正的杀手锏在三件事上——这三件普通电源或万用表都做不到：

1. 既能「送电」也能「吃电」：常规电源只能向外输出功率，常规万用表根本不能供能。SMU 不管你加 +5 V 100 mA（① 象限正向供电）、还是 DUT 自己产出 0.66 V / 40 mA 倒灌进来（④ 象限太阳能电池工作点），它都接得住、测得准，不会反向击穿自己。这叫四象限工作。
2. 同端同时「强制」与「测量」（Force / Sense 同端子）：SMU 一根 Force 线既输出目标电压，又立刻回读 DUT 上的真实电压（Kelvin 原理），把导线和接触电阻上的压降自动扣除——哪怕你用一米的表笔线测毫欧级器件，结果也是器件上的真实值，不会被线阻污染。Keithley 2400 是经典的 4 线 Force/Sense，μSMU 简化为 2 线 Force+Sense 同端，简化牺牲了一点精度，但对 ±5 V / ±50 mA 量程已经足够。
3. 限幅保护（Compliance Limit）：恒压模式下钳住电流上限、恒流模式下钳住电压上限。意思是你让它「输出 5 V 测二极管」，万一二极管短路，电流也不会烧穿——仪器自己会把电压降下来、稳住电流在限幅值。这是普通电源不会自动做的事。

把这三件事摆在一起看，就知道为什么科研实验室里 SMU 是必需品，而普通电源和万用表只能算是「初级版」。

下面这张图把 SMU 的四象限工作区和 μSMU 的量程框画进同一个坐标系，先看图建立直觉，再对照后面的表格：

SMU 四象限工作区（同一台仪器既能「送电」也能「吃电」）：

四象限含义：① +V/+I = 源（输出功率，如正向偏置点亮 LED、二极管正向 I-V）；② −V/+I = 阱（吸收功率，如 DUT 反向灌入）；③ −V/−I = 源（反向输出，如测反向击穿）；④ +V/−I = 阱（太阳能电池/电池放电工作点，SMU 当负载吸收功率）。图上还画了三类典型 DUT：100 Ω 电阻（虚线斜线）、二极管正向导通 + 反偏击穿（红色，同一器件的两段）、太阳能电池 I-V + Voc/Jsc/MPP（绿色，最大功率点用 ★ 标出）。框线即 μSMU 的 ±5 V / ±50 mA 量程。

把这台机器和日常工具摆在一起对照，能更直观：

SMU 最典型的应用场景就是「I-V 曲线扫描」——从 −5 V 步进到 +5 V，每一步电压都同时记录 DUT 电流，画出 I-V。半导体二极管的正向导通 + 反向击穿、太阳能电池的 Voc/Jsc/FF/PCE、PCB 走线的连续电阻、传感器零点漂移、电池充放电曲线，一台 SMU 就能覆盖。这套能力过去只有 Keithley 2400 级别的科研仪器才具备，一台二手都要几千英镑，本科生课题和中学 STEM 课堂只能排队借学院资源。

一句话总结：SMU = 精密电源 + 精密万用表 + 四象限双向 + 同端强制测量 + 自动限幅，它不是替代电源或万用表，而是把两者集成之后，再补上「双向」「同端回读」「限幅保护」这三把杀手锏。这一节可能稍偏抽象，但看懂它，再回头看本期 μSMU 的电路选型（LT1970 功率运放、PGA281 可编程增益、TPS65131 隔离开关电源），每颗料的设计意图就都对得上了——这也是为什么接下来几节（设备参数 / 背景 / 完整原理图）里，LT1970、PGA281、ADS1115 这几个芯片会反复出现：它们就是 SMU 的三大核心电路在名片尺寸 PCB 上的具体落地。

🔧 设备参数

• 拓扑：四象限 SMU（恒压源 + 恒流源 + 电压表 + 电流表四象限自动切换），单向 DUT 输出（2-wire BNC）
• 输出电压：-5 V ~ +5 V（DAC8571 16-bit + LT1970 功率运放驱动）
• 输出电流：-50 mA ~ +50 mA（受 PGA281 + 50 Ω 高边分流电阻量程与可编程电流限制钳位）
• 可编程电流限制：±1 mA ~ ±50 mA（通过 LT1970 的电流限幅输入实现）
• 电压分辨率：~0.6 mV（16-bit DAC 在 ±5 V 量程下的理论 LSB ≈ 0.15 mV，叠加 PGA/buffer 后实测 ~0.6 mV）
• 电流分辨率：~100 nA（16-bit ADC 配合 PGA281 0.125~176 倍动态增益实现）
• 精度：电压 ±(0.2% + 5 mV)，电流 ±(0.2% + 100 nA)（Undalogic 官方规格）
• 采样率：20 Hz
• 接口：USB-C（USB 2.0，USB CDC 虚拟串口），2-wire BNC DUT 输出，SWD 调试焊盘
• 隔离：TPS65131 隔离 DC-DC 生成 ±9.7 V 给功率模拟前端，数字 3.3 V / 模拟 4.5 V 双 LDO 分开供电
• PCB 尺寸：70 × 43 mm（裸板），含外壳整机 93 × 47 × 25 mm / 55 g
• 软件栈：浏览器端 I-V Tracer + Pythonusmu_py（PyPI）+ SweepMe! 官方驱动 + STM32CubeIDE 固件源码
• 元件规模：~130 个（36 行 BOM：4 颗 IC 运放缓冲、4 颗主信号链 IC、2 颗 LDO、1 颗隔离开关 IC、19 颗 1 µF 去耦 + 数量众多的精密分压/反馈电阻）
• 供电：USB 总线供电，无外部电源；总功耗 < 2.5 W（含 ±9.7 V 开关电源 + LED 指示）

🎯 项目背景

在光伏研究实验室里，SMU 是测太阳能电池 I-V 曲线的标准工具——Keithley 2400 系列一台二手都要几千英镑，让本科生课题与中学 STEM 课堂只能借学院资源排大队。Joel Troughton 在 Sheffield 大学做光伏博士期间就琢磨「能不能用常见器件做一台 1% 精度的简化版 SMU」，2021 年开始用 Linear Tech DC2591A 评估板的子电路做雏形（v1 ~ v5 用 Seeeduino XIAO + MCP4725 12-bit DAC + LT1991），到 2022 年 3 月推出 v10 重写整个模拟前端：DAC 升到 16-bit TI DAC8571，电流放大器换成可编程增益的 TI PGA281（0.125~176 倍），分流电阻从 10 Ω 升到 50 Ω（高增益档下也能保留低电流分辨率），隔离电源换成 TPS65131 双路升压给 ±9.7 V 摆幅，USB-C 接口取代 mini-B。从此整机能稳定做太阳能电池的 PCE 测量，作者本人也在 Caltest / Sheffield 实验室用真实硅电池验证过 Voc=0.66 V、Jsc=−39.8 mA、FF=0.70、PCE=18.3% 的结果。

设计取舍上有几个亮点值得初学者借鉴：① PGA281 的可编程增益让「同一条 ADC 通道」既能测 nA 级漏电流，又能测 50 mA 满量程电流，避免在 PCB 上堆叠多档量程切换开关；② TPS65131 + 变压器式隔离意味着控制地与功率地完全断开，USB 主机端的噪声不会窜进 ADC；③ 整板 130 个元件不到，全部 0402 为主，BOM 中能找到的料包括 Samsung CL 系列 MLCC、Panasonic ERJ 高精度薄膜电阻、TI 与 ADI 主信号链、Microne ME6212 LDO——除了 LT1970 与 PGA281 价格稍高，其余都是几十便士的常用料，对学生复刻友好。

📊 核心参数

📐 完整原理图（按功能区块）

μSMU v1.0 整页原理图概览（A3 单页，KiCad 9 导出）：

A3 横向单页共 5 个功能区块：上方为占大半张图的 Analog front-end（含 DUT 电压/电流两路全模拟链路），右半为 Microcontroller，底部从左到右分别是 USB 接口与 ESD、±9.7 V 隔离开关电源、LDO 调节与安装孔。整张图同时承担 BOM 位号索引（U1_U14、C1C44、R1~R44），配合 KiCad 源文件可一键跳转。

模拟前端（Analog front-end）：

LT1970（U10）作为功率运放，由 DAC8571（U11）16-bit I²C DAC 在同相输入端设定 DUT 电压，反相输入端接 MCP1501（U8）提供的 4.096 V 基准以实现可编程偏移；PGA281（U14）在 50 Ω 高边分流电阻（R40）两端放大电流信号，5 根 GPIO 可选 0.125~176 倍增益；GS8331（U2/U7/U9）四运放分别为 DAC 输出、ADC 输入、基准做缓冲；ADS1115（U1）16-bit ADC 同时采样 DUT 电压与分流电压。DUT 输出（TP3、TP4）经过跳线 JP2/JP3 可切换为「2-wire 强制配置」与「短路校准」，便于验证 PGA281 失调与 DAC 线性度。

数字主控（Microcontroller）：

STM32F072CBU6（U3）48 MHz Cortex-M0，PA11/PA12 直接到 USB-C 的 D+/D-（无需外接晶振，靠芯片内部 HSI48 + CRS 锁相到 USB SOF），PA13/PA14 引出 SWD 调试焊盘；PB6/PB7 作为 I²C 总线与 DAC8571/ADS1115 通信；PA8/PA9/PA10 三路经 1 kΩ 限流电阻驱动 RGB 状态 LED（D1 三色），PA4 控制 LT1970 的使能（AMP_EN），PA5 经 10 kΩ 上拉作为 PGA281 的 GPIO 增益切换端口；VBAT/VDD/VDDA/VDDIO2 旁路电容按 ST 参考手册分四组就近去耦。

±9.7 V 隔离开关电源（Isolated ±9.7 V switching regulator）：

TPS65131（U12）双路升压控制器从 USB VBUS（5 V）生成 ±9.7 V 隔离电压。+9.7 V 通道：AO3401A（Q1）P-MOSFET 主开关、4.7 µH 功率电感 L1、B5819W（DT6）续流肖特基，C27/C30/C28/C29/C14 形成输入/输出/自举滤波；−9.7 V 通道：L2 + DT5 复用同一控制器，R33/R14/R34 构成精密分压反馈（47 kΩ/330 kΩ/47 kΩ），C31 2 pF 抑制高频振荡；PSP/PSN 强制接到 GND 关闭省电模式以获得更好的输出纹波（注释见原理图右下角）。

LDO 调节器与安装孔（LDO regulators + mounting holes）：

ME6212C33M5G（U6）把 USB VBUS 转为 3.3 V 给 MCU 与数字逻辑，PWR_FLAG 网络接 D2/D3 状态 LED；H7650-45PR（U13）从 USB VBUS 取 4.5 V 给 DAC8571/ADS1115 的模拟部分独立供电（JP1 可旁路直接用 USB 5 V，但可能引入噪声）；四颗 M3 安装孔（H1/H2/H3/H4）均匀分布四角，方便装入 3D 打印外壳。

USB-C 接口与 ESD 保护（USB connector + ESD protection）：

J2 是 Korean Hroparts TYPE-C-31-M-12 USB 2.0 简版 Type-C，仅接 VBUS + D+/D-（不取 CC1/CC2，所以不需要 PD 协商）；R16/R6 5.1 kΩ CC1/CC2 下拉电阻使主机识别为「USB-C 音频/调试设备」吸附模式（Sink mode）；U5 USBLC6-2SC6 双通道 TVS 阵列把 D+/D- 上的静电泄放到 VBUS/地，避免 STM32 USB 收发器被插拔尖峰打坏；J1 是 SWD 调试焊盘，标准 2×5 1.27 mm 排线接口。