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 LEDD1~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 Tracer2025 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STM32F072CBU6ARM Cortex-M0 / 48 MHz16 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 gUSB-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_pyPyPI 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 Troughtonjoeltroughton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 PDFv5/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_pyMITPyPI 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 UnitSMU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 mA① 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。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/SenseμSMU 简化为 2 线 ForceSense 同端简化牺牲了一点精度但对 ±5 V / ±50 mA 量程已经足够。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-V② −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 DUT100 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仪器输出电压输出电流量电压量电流四象限限幅保护普通直流电源✓单极✓单极屏显值未补偿❌❌无短路烧 DUT普通台式万用表❌❌✓✓❌不能供能—半导体曲线示踪仪✓✓✓✓✓准静态扫描不能长时间恒定偏置做精密直流测量部分商用 SMUKeithley 2400 系列等型号可选±200 V / 1 A2400~ ±1100 V2410±1 A2400~ ±10 A24406½ 位6½ 位✓✓μSMU本期项目±5 V±50 mA16-bit16-bit✓✓LT1970 可编程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 VDAC8571 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 mV16-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 nA16-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-CUSB 2.0USB 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_pyPyPI SweepMe! 官方驱动 STM32CubeIDE 固件源码元件规模~130 个36 行 BOM4 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 PGA2810.125~176 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 Voc0.66 V、Jsc−39.8 mA、FF0.70、PCE18.3% 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 ADC③ 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。 核心参数类别型号/参数说明主控 MCUSTM32F072CBU6Cortex-M0 / 48 MHz / 16 KB SRAM / 128 KB Flash / 12-bit DAC / 无晶振 USB FS 2.0电压 DACTI DAC8571IDGKR16-bit I²C 总线 DAC设定 LT1970 同相输入电压电流放大器TI PGA281AIPWR0.125 / 1 / 2 / 4 / 8 / 16 / 32 / 64 / 128 / 176 十档可编程增益仪表放大器电流分流R40 50 ΩERA3AEB49R9V49.9 Ω 0.1%/ R41 10 ΩLT1970 电流限幅取样高边 50 Ω 分流PGA281 高增益档下可分辨 ~10 nA电压/电流 ADCTI ADS1115IDGSR16-bit 4 通道 ΔΣ ADCI²C 总线3.3 kSPS功率运放Analog Devices LT1970CFE#PBF高输出电流功率运放DUT 电压驱动 可编程电流限制电压基准Microchip MCP1501T-40E/CHY4.096 V 0.1% 精密基准给 DAC/ADC 共用缓冲运放Gainsil GS8331 ×4U2/U7/U9/U10/旁路等低 VOS运放缓冲 DAC 输出与 ADC 输入隔离 ±9.7 V 开关电源TI TPS65131RGET双路升压控制器配合 4.7 µH 电感 L1/L2 B5819W 续流肖特基生成 ±9.7 V数字 3.3 V LDOMicrone ME6212C33M5G给 MCU 与数字逻辑供电模拟 4.5 V LDO上海智芯 H7650-45PR给 DAC / ADC 模拟部分独立供电进一步降低数字侧噪声USB-C 接口Korean Hroparts TYPE-C-31-M-12USB 2.0 简版 Type-C仅供电 D/D-不取 CC 协商USB ESD 保护ST USBLC6-2SC6D/D-/CC1/CC2 双通道 TVS 阵列状态指示EKINGLUX E6C0606RGBC3UDA ×4RGB 三色 LEDD1Status / D2LIMIT / D3SRC / D4SNK / SMU ON调试焊盘Amphenol 20021121-00010C4LFSWD 排针J1方便二次开发DUT 接口TE Connectivity 1-1634624-02-wire BNC 输出PCBKiCad 4 层70 × 43 mm 名片大小Hardware/Version 10r1/ 完整源固件STM32CubeIDE 工程Firmware/USB CDC 命令解析 校准表GPL-3.0硬件许可证CERN-OHL-P-2.0仓库根目录 licence.txt 全文附录 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U1U14、C1C44、R1~R44配合 KiCad 源文件可一键跳转。模拟前端Analog front-endLT1970U10作为功率运放由 DAC8571U1116-bit I²C DAC 在同相输入端设定 DUT 电压反相输入端接 MCP1501U8提供的 4.096 V 基准以实现可编程偏移PGA281U14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GS8331U2/U7/U9四运放分别为 DAC 输出、ADC 输入、基准做缓冲ADS1115U116-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MicrocontrollerSTM32F072CBU6U348 MHz Cortex-M0PA11/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 SOFPA13/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 LEDD1 三色PA4 控制 LT1970 的使能AMP_ENPA5 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 regulatorTPS65131U12双路升压控制器从 USB VBUS5 V生成 ±9.7 V 隔离电压。9.7 V 通道AO3401AQ1P-MOSFET 主开关、4.7 µH 功率电感 L1、B5819WDT6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 kΩC31 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 holesME6212C33M5GU6把 USB VBUS 转为 3.3 V 给 MCU 与数字逻辑PWR_FLAG 网络接 D2/D3 状态 LEDH7650-45PRU13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 protectionJ2 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 modeU5 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。