KiCad 7: Ein Blick auf die wichtigsten Funktionen von KiCad 7 und mehr

Mar 17, 2024

Seit seinem Erscheinen Anfang der 1990er Jahre hat sich KiCad zu einer praktikablen Alternative zu kommerziellen EDA-Lösungen entwickelt. Sind Sie bereit, die siebte Version auszuprobieren? Schauen Sie sich KiCad 7 und seine Funktionen an.

Wenn Sie diesen Artikel lesen, sind Sie wahrscheinlich mit KiCad vertraut (oder haben zumindest davon gehört). Für den Fall, dass Sie es noch nicht getan haben: KiCad ist eine beliebte Open-Source-Software-Suite zur Automatisierung des Elektronikdesigns (EDA) zum Erstellen von Leiterplattendesigns (PCB). Es bietet Tools für die Schaltplanerfassung, das PCB-Layout und die 3D-Visualisierung der Platine. KiCad unterstützt viele Standarddateiformate und ist daher mit einer Vielzahl anderer EDA-Tools kompatibel. Es ist für Windows-, macOS- und Linux-Plattformen verfügbar. Mit KiCad können Sie Leiterplatten erstellen, wie zum Beispiel die Platine inFigur1 . Dies ist die Hauptplatine des HADES UAV Flight Control System, entworfen von Philip Salmony mit KiCad (GitHub-Repository).

Seit KiCad 1992 zum ersten Mal in der PCB-CAD-Welt erschien, hat es sieben Hauptversionen durchlaufen und sich zu einer ernstzunehmenden Alternative zu kommerziellen Produkten entwickelt. Ich benutze KiCad fast täglich seit Version 4, als ich die erste Ausgabe des Buches KiCad Like a Pro veröffentlichte. KiCad 7 wurde Anfang 2023 vom KiCad-Team eingeführt. Es stellt den nächsten Entwicklungsschritt für KiCad dar, mit mehreren inkrementelle Verbesserungen und Ergänzungen gegenüber KiCad 6. Wayne Stambaugh und Jon Evans, die Hauptentwickler von KiCad, stellten die Änderungen in KiCad 7 in einem ausführlichen Blogbeitrag auf der KiCad-Website vor. Die Änderungen in KiCad 7 sind „evolutionär“, nicht „revolutionär“ wie bei KiCad 6. Die Benutzeroberfläche von KiCad 7 ist KiCad 6 sehr ähnlich. Die Schaltplan- und Layout-Editoren sehen ohne detaillierte Betrachtung unverändert aus. Die meisten Dialogfelder scheinen ebenfalls unverändert zu sein, mit Ausnahme einiger Widgets (z. B. Textfelder und Optionsfelder), die verschoben wurden. Ich gehe davon aus, dass sich die meisten Leute, die mit KiCad 6 vertraut sind, problemlos in der Benutzeroberfläche von KiCad 7 zurechtfinden werden. In diesem Artikel stelle ich die drei wichtigsten Funktionen von KiCad 7 vor: das Plugin und den Content Manager, der PCB-Editor und eine verbesserte Teilemodellierung. Wenn Sie mehr über die neuen Funktionen und Änderungen in KiCad erfahren möchten, lesen Sie die Blogbeiträge von Wayne und Jon zu den Versionen 7.0.0, 7.0.1 und 7.0.2. Die Versionen 7.0.1 und 7.0.2 enthalten hauptsächlich Fehlerbehebungen und Verbesserungen. Um den Anweisungen und der Demonstration zu folgen, verwenden Sie die neueste verfügbare Version von KiCad 7. Wenn Sie KiCad nicht installiert haben, laden Sie es von der KiCad-Website herunter.

Die Funktionalität von KiCad kann durch das Plugin-System erweitert werden. In KiCad 7 hat das Plugin-System, das in KiCad 6 eingeführt wurde, seine Reife erreicht. Es ist nicht nur viel benutzerfreundlicher als in früheren Versionen, sondern auch die Anzahl der verfügbaren hochwertigen Plugins ist stark gestiegen. Es ist nun wahrscheinlich, dass Sie ein Plugin für die von Ihnen gewünschte Funktionalität finden können. In KiCad 7 prüft der Plugin- und Content-Manager (PCM) bei jedem Start von KiCad automatisch, ob Aktualisierungen vorliegen. Wenn Updates gefunden werden, wird der Benutzer um Erlaubnis gebeten, die Plugin-Pakete zu aktualisieren. Hier sind einige Beispiele für nützliche Plugins:

Zum Installieren und Verwalten von Plugins verwenden Sie den Plugin- und Content-Manager. Auf dieses Tool kann über die KiCad-Projektanwendung zugegriffen werden und Sie können außerdem Bibliotheken und Themes installieren und verwalten. Sie können dem gleichen Prozess folgen, um Schaltplan- und Footprint-Bibliotheken und -Themen zu installieren und zu verwalten.

Um ein neues Plugin zu installieren, starten Sie das Plugin- und Content-Manager-Tool, indem Sie auf die entsprechende Schaltfläche im KiCad-Projektmanagerfenster klicken (Figur2 ). Der Plugin- und Content-Manager enthält mehrere Widgets, da er mehrere Funktionen erfüllen soll.

Sie können es darin sehenFigur3.

Im Manager-Fenster können Sie:

Lassen Sie uns das Interactive Html Bom-Plugin installieren. Sie können entweder auf die Schaltfläche „Installieren“ im Plugin-Übersichtsfeld (4) oder auf die Schaltfläche „Installieren“ im Plugin-Detailbereich (6) klicken. Eine Alternative besteht darin, das Plugin-Paket herunterzuladen (klicken Sie im Detailbereich auf „Herunterladen“ (7) und dann auf „Aus Datei installieren…“ (8). Wenn Sie auf die Schaltfläche „Installieren“ klicken, wird die Installationsaktion zur Liste „Ausstehend“ hinzugefügt. Sie können sich bewerben Sie können die ausstehenden Änderungen anzeigen, indem Sie auf die Schaltfläche „Ausstehende Änderungen übernehmen“ (9) klicken. Sie können eine Liste der ausstehenden Änderungen auch anzeigen, indem Sie in der Kopfzeile des Manager-Fensters (1) auf die Registerkarte „Ausstehend“ klicken.

Sobald der neue Inhalt installiert ist, wird er im Bereich „Installiert“ angezeigt. Um zu sehen, welche Inhalte installiert wurden, klicken Sie auf die Registerkarte „Installiert“ (1). Sie können meine installierten Inhalte in sehenFigur4 . Von hier aus können Sie Inhalte deinstallieren, aktualisieren oder herunterladen.

Die Funktionalität, die verschiedene Plugins Ihrer KiCad-Instanz bieten, kann variieren. Einige fügen möglicherweise eine oder mehrere Schaltflächen zu den Symbolleisten hinzu, während andere möglicherweise Widgets zu Konfigurations- und Einstellungsfenstern hinzufügen. Für einige Plugins gelten möglicherweise auch zusätzliche Anforderungen, bevor Sie sie in KiCad verwenden können. Obwohl ich beispielsweise Freerouting (erfolgreich) installiert habe, kann ich es erst verwenden, wenn ich auch sichergestellt habe, dass Java JRE17 auch auf meinem Computer installiert ist. Im Fall von Freerouting hat das Plugin eine neue Schaltfläche in der oberen Symbolleiste des Layout-Editors meiner KiCad-Instanz hinzugefügt (Figur5 ). Um ein Layout automatisch mit dem Freerouting-Plugin zu routen, klicken Sie einfach auf die Schaltfläche Freerouting.

In KiCad 7 wird das Routing einer Leiterplatte beschleunigt, indem der Layout-Editor aufgefordert wird, die bereits gezeichnete Route fertigzustellen. Damit dies funktioniert, verwenden Sie die F-Tastenkombination (für „Fertig stellen“). Schauen wir uns ein Beispiel an. InFigur6 Sie können die nicht geroutete Version der Leiterplatte für eines der Projekte im Buch sehen. Schalten Sie zunächst die aktive Ebene auf vorderes Kupfer um, geben Sie dann X ein, um das Werkzeug „Leitungen verlegen“ zu aktivieren, und klicken Sie auf Pad 2 des LED-Footprints, um mit dem Zeichnen zu beginnen.

Das Layout sieht jetzt so aus, wie Sie es sehenFigur7.

Drücken Sie nun die F-Taste auf Ihrer Tastatur, damit KiCad den Vorgang abschließt. Die Strecke endet wie folgt auf Pad 2 von R1Figur8.

Wenn KiCad nicht in der Lage ist, eine automatische Route abzuschließen, zeichnet es die Strecke so weit wie möglich ein und wartet dann darauf, dass Sie die Route übernehmen. Diese automatische Tracerouting-Funktion ist eine Kombination aus einem vollständigen Autorouter wie Freerouting und dem interaktiven Router und soll Ihren Arbeitsablauf beschleunigen.

In KiCad 6 wurde der SPICE-Simulator in den Schaltplaneditor integriert. Allerdings wurden nur wenige Komponenten modelliert. Für fast jede praktische Schaltung müssten Sie Online-Bibliotheken von SPICE-Komponentenmodellen durchsuchen und diese Modelle in Ihre Simulation importieren. Ich habe herausgefunden, dass man ernsthafte SPICE-Kenntnisse entwickeln muss, um selbst eine einfache Schaltung zuverlässig simulieren zu können. Das ist alles andere als trivial. In KiCad 7 ist die Situation mit den SPICE-Modellen jedoch deutlich verbessert. Der Simulator verfügt jetzt über einen grafischen Modelleditor, mit dem Sie Ihren Schaltplankomponenten ein geeignetes Modell zuweisen, ihre verschiedenen Parameter festlegen und auf Start klicken können, um die Simulation zu starten. Schauen wir uns ein einfaches Beispiel an. Angenommen, Sie haben diesen einfachen Schaltkreis, der aus einer LED, einem Widerstand und einer Spannungsquelle besteht. Sie können die Schaltung sehenFigur9, wobei (1) die simulationsbereite Version der Schaltung und (2) die Originalschaltung ist.

In der Simulationsversion der Schaltung (1) müssen Sie SPICE-Modelle für die aktiven und passiven Komponenten zuweisen: die Spannungsquelle, die LED und den Widerstand. Sehen wir uns das Symbol der Spannungsquelle genauer an. Doppelklicken Sie auf das Spannungsquellensymbol, um dessen Eigenschaftenfenster aufzurufen, und klicken Sie auf die Schaltfläche „Simulationsmodell“, um das Fenster des SPICE-Modelleditors anzuzeigen. Jedes Symbol in KiCad verfügt über einen SPICE-Modelleditor, mit dem Sie verschiedene Parameter im Zusammenhang mit der Simulation festlegen können, einschließlich des Anhängens von Code, der das Simulationsmodell der realen Komponente darstellt. Das Fenster des SPICE-Modelleditors enthält zwei Registerkarten: Modell und Pin-Zuweisungen. Klicken Sie auf die Registerkarte Modell. Hier können Sie dieses Symbol (das zufällig eine Spannungsquelle ist) für die Simulation konfigurieren. Entdecken Sie die verschiedenen Optionen in der Modellgruppe „Built-in SPICE“, um die verschiedenen verfügbaren Geräte und Typen zu sehen. Beispielsweise können Sie die Quelle so einstellen, dass sie in einem Impuls-, Sinus- oder Exponentialmuster arbeitet. Natürlich können Sie es als einfache Gleich- oder Wechselstromquelle einstellen. Sie können den Gerätetyp auch in einen anderen Typ ändern, beispielsweise einen Transistor, eine Diode oder einen Kondensator.

Wie Sie darin sehen könnenFigur10 Ich habe die Spannungsquelle so eingestellt, dass sie einen sinusförmigen (Sinus-)Ausgang mit 5 V Amplitude bei 10 Hz erzeugt. Während Sie die verschiedenen Parameter definieren, wird im Hintergrund der SPICE-Code für dieses Symbol erstellt. Sie können das SPICE-Modell des Symbols auf der Registerkarte „Code“ überprüfen (Figur11UndFigur12).

Jedes Modell ist konfigurierbar und kann automatisch Werte aus den Eigenschaften des Schaltplansymbols abrufen. Sehen Sie sich beispielsweise das SPICE-Modell für den Widerstand im Stromkreis an (Figur13 ). Der Wert des Widerstands, „330“, wurde automatisch aus der Eigenschaft „Wertsymbol“ des Widerstands gelesen. Natürlich können Sie weiterhin Code verwenden, um ein SPICE-Modell für eine Komponente zu definieren.

Wenden wir uns zum Beispiel der LED zu. Ich habe meine Google-Kenntnisse genutzt, um ein passendes Modell zu finden, das so aussieht, wie Sie es hier sehenAuflistung1 (Quelle). Sie können dieses Modell in einer Textdatei speichern und es mit dem SPICE-Modelleditor in das KiCad-Symbol importieren. Ich habe die Datei mit dem Dateinamen led2.model im Verzeichnis Spice Models gespeichert. Listing 1: Ein Modell für die Simulation. Die Zeilen, die mit einem Sternchen beginnen, sind Kommentare.

Doppelklicken Sie auf das LED-Symbol, um das Eigenschaftenfenster aufzurufen, und klicken Sie dann auf Spice Model. Sobald das Fenster „SPICE-Modelleditor“ geöffnet ist, klicken Sie auf die Registerkarte „Modell“ und laden Sie die Textdatei des Spice-Modells, die Sie gerade mit dem Datei-Widget unter „SPICE-Modell aus Datei“ erstellt haben. Da diese Spice-Modelldatei drei Modelle enthält, verwenden Sie das Modell-Widget, um „LED1“ auszuwählen (Figur14 ). Wie Sie darin sehen können Im Screenshot habe ich die Dateimethode verwendet. Ich habe das Modell in einer Textdatei mit dem Titel „led2.model“ gespeichert und den Dateibrowser verwendet, um es zu finden und „(1)“ im Screenshot auszuwählen.

Die Modelldatei enthält drei einzelne Modelle. Jeder hat einen eindeutigen Namen: „LED1“, „LED2“ und „LED3“. Ich habe das Modell, das ich verwenden wollte, über das Dropdown-Menü „Modell“ ausgewählt („2“ im Screenshot). Auf der Registerkarte „Code“ können Sie den SPICE-Code sehen, den KiCad zur Simulation des LED-Symbols verwendet. Die verschiedenen Parameter, die Sie in den Modelldefinitionen sehen, wie z. B. IBV (Strom bei Durchbruchspannung), BV (Rückwärtsdurchbruchspannung) und TT (Durchgangszeit), werden im Ngspice-Benutzerhandbuch beschrieben. Sie finden diese Werte im Datenblatt einer Komponente; Sie können sie in Ihren Modellen verwenden. Klicken Sie auf OK und OK, um zum Editor zurückzukehren. Der Schaltplan ist nun für die Simulation bereit. Im nächsten Abschnitt zeige ich Ihnen, wie Sie den Simulator konfigurieren.

Öffnen Sie im Schaltplaneditor das Simulatorfenster (Inspect Simulator) oder klicken Sie in der oberen Symbolleiste auf die Schaltfläche Simulator. Klicken Sie auf die blaue „Play“-Schaltfläche, um die Simulation auszuführen (Figur15 ). Meine Simulation enthält nur 500 Punkte und ist daher schnell fertig. Im Screenshot sehen Sie das simulierte erfasste Signal (1), den Zeitverlauf (2) und die Ergebnisse (3). Natürlich können Sie die Simulation ändern.

Sie können bei Bedarf weitere Parzellen erstellen. Klicken Sie bei aktivem Simulationsfenster auf Datei und dann auf Neue Darstellung. Im Simulatorfenster wird eine neue Registerkarte mit einem leeren Diagramm angezeigt. Sie können Signale und Cursor hinzufügen, zoomen und schwenken sowie Szenarien mit verschiedenen Komponentenwerten ausprobieren. Schauen Sie sich zum Beispiel anFigur16. Dieses Diagramm zeigt drei Signale, I für R1, I für V1 und V für Vin, und zwei Cursor, I für R1 und V für Vin. Mit den Cursorn kann ich mit der Maus die vertikale Zeitleiste nach links und rechts ziehen, sodass ich den Wert des Signals zu diesem Zeitpunkt sehen kann. Ich kann auch das Scrollrad zum Vergrößern/Verkleinern und die mittlere Maustaste zum Schwenken verwenden. Das Ergebnistextfenster zeigt die Analyseergebnisse, die ich in meiner Experimentdokumentation verwenden kann.

Sie haben gerade meine drei neuen oder aktualisierten Lieblingsfunktionen in KiCad 7 gesehen. Wie Sie vielleicht erwarten, gibt es noch viel mehr. Zusätzlich zu den von mir behandelten Funktionen bietet KiCad 7:

Anmerkung des Herausgebers: Dieser Artikel (230352-01) erscheint im Elektor September/Okt 2023.

Dr. Peter Dalmaris ist Pädagoge, Elektroingenieur, Hobbyelektroniker und Maker. Ersteller von Online-Videokursen zum Thema DIY-Elektronik und Autor mehrerer technischer Bücher, darunter KiCad Like a Pro (Elektor, 2018) und KiCad 6 Fundamentals and Projects (Elektor, 2022). Sein Unternehmen Tech Explorations bietet eine Vielzahl von Bildungskursen und Bootcamps für Hobby-Elektroniker, MINT-Studenten und MINT-Lehrer an. Elektor wird Dalmaris‘ neuestes Buch, KiCad 7, Mitte oder Ende 2023 veröffentlichen.

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