KiCad 7: Ein Blick auf die wichtigsten Funktionen

Seit seinem Erscheinen in den frühen 1990er Jahren hat sich KiCad zu einer brauchbaren Alternative zu kommerziellen EDA-Lösungen entwickelt. Sind Sie bereit, die siebte Version auszuprobieren? Dann lernen Sie die wichtigsten Funktionen kennen!

KiCad 7: An Introduction

Wenn Sie diesen Artikel lesen, sind Sie wahrscheinlich schon mit KiCad vertraut oder haben zumindest davon gehört. Falls Sie es noch nicht wissen: KiCad ist ein beliebtes Open-Source-Softwarepaket zur Automatisierung des Elektronikdesigns (EDA) für die Erstellung von Platinenlayouts. Es bietet Werkzeuge für die Schaltplanerfassung, das Platinenlayout selbst und die 3D-Visualisierung der virtuell „aufgebauten“ Platine. KiCad unterstützt viele Standard-Dateiformate und ist daher mit einer Vielzahl anderer EDA-Tools kompatibel. Es ist für Windows-, macOS- und Linux-Plattformen verfügbar. Mit KiCad können Sie Platinen entwerfen wie die in Bild 1, die Hauptplatine des HADES UAV Flight Control System, die Philip Salmony mit KiCad erstellt hat (GitHub repository).

Seit KiCad im Jahr 1992 zum ersten Mal in der PCB-CAD-Welt auftauchte, hat es sich in sieben Hauptversionen zu einer ernsthaften Alternative zu kommerziellen Produkten entwickelt. Ich benutze KiCad seit Version 4 fast täglich, als ich die erste Ausgabe des Buches, KiCad Like a Pro veröffentlichte.

KiCad 7 wurde vom KiCad-Team Anfang 2023 eingeführt. Es stellt die nächste Evolutionsstufe von KiCad dar, mit mehreren schrittweisen Verbesserungen und Ergänzungen gegenüber KiCad 6. Wayne Stambaugh und Jon Evans, die leitenden Entwickler von KiCad, stellten die Änderungen in KiCad 7 in einem ausführlichen Blogbeitrag auf der KiCad-website vor.

Die Änderungen in KiCad 7 sind „evolutionär“ statt „revolutionär“ wie bei KiCad 6. So ist die Benutzeroberfläche von KiCad 7 der von KiCad 6 sehr ähnlich, die Schaltplan- und Layout-Editoren sehen ohne nähere Betrachtung unverändert aus. Auch das Gros der Dialogfelder scheint unverändert zu sein, außer dass einige Widgets (wie Textfelder und Optionsfelder) verschoben wurden. Ich gehe davon aus, dass die meisten Benutzer, die mit KiCad 6 vertraut sind, sich problemlos in der Benutzeroberfläche von KiCad 7 zurechtfinden werden.

In diesem Artikel stelle ich Ihnen die drei wichtigsten neuen Funktionen von KiCad 7 vor: den Plugin- und Contentmanager, den Platineneditor und die verbesserte Teilemodellierung. Wenn Sie mehr über die neuen Funktionen und Änderungen in KiCad erfahren möchten, lesen Sie Waynes und Jons Blogbeiträge über die Versionen 7.0.0, 7.0.1, und 7.0.2. Die Versionen 7.0.1 und 7.0.2 enthalten hauptsächlich Fehlerkorrekturen und Verfeinerungen.

Um den Beschreibungen und der Demo folgen zu können, sollten Sie zunächst die neuste verfügbare Version von KiCad 7 von der KiCad website herunterladen und installieren.

Plugin- und Inhaltsmanager: besser als je zuvor

Die Funktionalität von KiCad kann durch das Plugin-System erweitert werden. In KiCad 7 ist das Plugin-System, das in KiCad 6 eingeführt wurde, gereift. Es ist nicht nur viel benutzerfreundlicher als in den Vorgängerversionen, sondern auch die Anzahl der qualitativ hochwertigen Plugins, die zur Verfügung stehen, ist deutlich gestiegen. Es ist nun wahrscheinlich, dass Sie ein Plugin für jede von Ihnen gewünschte Funktionalität finden können.

In KiCad 7 prüft der Plugin- und Content-Manager (PCM) bei jedem Start von KiCad automatisch auf Aktualisierungen, und wenn er solche findet, fordert er den Benutzer auf, die Aktualisierung der Plugin-Pakete zu genehmigen.

Hier sind einige Beispiele für nützliche Plugins:

• Interactive Html Bom: Ein interaktiver Stücklisten-Editor und -Generator.
• pcb-action-tools: Ein Multi-Tool für den Layout-Editor, das verschiedene Zusatzfunktionen bietet, zum Beispiel das Einrasten des Footprints am Raster und das Verschieben von Zeichnungen auf eine andere Ebene.
• KiKit: Ein Werkzeug, das verschiedene KiCad-Aufgaben automatisiert, zum Beispiel Penalisation, Erstellung von 3D-gedruckten Lötschablonen, Arbeit mit Multiplatinen-Projekten und mehr.
• Round Tracks:Ein Plugin, mit dem Leiterbahnen mit glatten und abgerundeten Ecken erstellt werden können.
• Schnelle Bestellung bei verschiedenen Platinenservices wie PCBWay und NextPCB.
• Und natürlich Freerouting, ein Plugin, das automatisches Routing ermöglicht.

Um Plugins zu installieren und zu verwalten, verwenden Sie den Plugin- und Content-Manager. Dieses Tool ist über die KiCad-Projektanwendung zugänglich und ermöglicht Ihnen auch die Installation und Verwaltung von Bibliotheken und Themen. Sie können mit demselben Verfahren Schaltplan- und Footprint-Bibliotheken und -Themen installieren und verwalten.

Installieren eines Plugins

Um ein neues Plugin zu installieren, starten Sie das Werkzeug Plugin and Content Manager, indem Sie auf die entsprechende Schaltfläche im KiCad-Projektmanagerfenster klicken (Bild 2). Der Plugin and Content Manager enthält mehrere Widgets, da er für mehrere Funktionen ausgelegt ist.

Sie können dies in Bild 3 sehen.

 Im Manager-Fenster können Sie Folgendes tun:

• Wählen Sie die Registerkarte für die Art des Vorgangs, den Sie durchführen möchten (in Bild 3 mit „1“ gekennzeichnet): i) Repository ermöglicht Ihnen die Arbeit mit Inhalten aus dem Repository, das Sie im Dropdown-Menü „Repository“ (2) ausgewählt haben. ii) Installed ermöglicht Ihnen die Arbeit mit bereits installierten Inhalten. Sie können ein Paket des Inhalts aktualisieren, entfernen oder herunterladen (sowohl aktuelle als auch frühere Versionen). iii) Pending zeigt eine Liste noch ausstehender Vorgänge.
• Wählen Sie das Repository aus, mit dem Sie arbeiten möchten (2). Zum Zeitpunkt der Erstellung dieses Artikels ist mir nur das offizielle KiCad-Repository bekannt. Wenn in Zukunft neue Repositories erscheinen, können Sie diese über das Fenster Repositories verwalten zu dieser Liste hinzufügen (klicken Sie auf die Schaltfläche Manage... neben dem Dropdown-Menü).
• Wählen Sie den Typ des Inhalts aus, mit dem Sie arbeiten möchten (3). i) Plugins sind Pakete, die neue Funktionen implementieren. ii) Libraries sind Pakete, die neue Symbole, Footprints (oder beides) für Ihre Schaltpläne und Layouts bereitstellen. iii) Color themes bieten vorgefertigte Farbthemen für die Schaltplan- und Layouteditoren.
• Unabhängig davon, welche Art von Inhalt Sie in (3) ausgewählt haben, zeigt Ihnen das Manager-Fenster auf der linken Seite (4) eine Liste der verfügbaren Inhalte und auf der rechten Seite (5) weitere Details zu dem von Ihnen ausgewählten Element.
• Sie können ein Content-Paket mit dem Install-Button (6) für die Installation markieren. Ein Paket wird erst dann installiert, wenn Sie auf die Schaltfläche Apply Pending Changes (9) klicken.
• Sie können ein Paket auch herunterladen, indem Sie auf den Button Download (7) klicken, und es zu einem späteren Zeitpunkt installieren, indem Sie dann auf die Schaltfläche Install from File... (8) klicken.

Installieren wir zum Beispiel das Plugin Interactive Html Bom. Sie können entweder auf eine Schaltfläche Install in der Plugin-Übersicht (4) oder in der Plugin-Detailansicht (6) klicken. Alternativ können Sie das Plugin-Paket auch herunterladen. Klicken Sie auf Download in der Detailansicht (7) und dann auf Install from File... (8).

Wenn Sie auf die Schaltfläche Install klicken, wird die Installationsaktion zur Pending-Liste hinzugefügt. Sie können die ausstehenden Änderungen übernehmen, indem Sie auf die Schaltfläche Apply Pending Changes (9) klicken. Sie können eine Liste der ausstehenden Änderungen auch anzeigen, indem Sie auf die Registerkarte Pending in der Kopfzeile des Managerfensters klicken (1).

Inhalte verwalten

Sobald der neue Inhalt installiert ist, wird er im Bereich installed angezeigt. Um zu sehen, welche Inhalte installiert wurden, klicken Sie auf die Registerkarte installed (1). Meine installierten Inhalte sehen Sie in Bild 4. Von hier aus können Sie Inhalte deinstallieren, aktualisieren oder herunterladen.

Ein installiertes Plugin verwenden

Die Funktionalität, die verschiedene Plugins Ihrer KiCad-Instanz verleihen, kann unterschiedlich sein. Einige fügen eine oder mehrere Schaltflächen zu den Symbolleisten hinzu, andere Widgets zu den Konfigurations- und Einstellungsfenstern.

Einige Plugins erfordern zusätzliche Maßnahmen, bevor Sie sie in KiCad verwenden können. Obwohl ich zum Beispiel Freerouting (erfolgreich) installiert habe, konnte ich es erst verwenden, nachdem ich Java JRE17 auf meinem Computer installiert hatte.

Im Falle von Freerouting fügte das Plugin einen neuen Button in der oberen Symbolleiste des Layouteditors meiner KiCad-Instanz hinzu (Bild 5). Um ein Layout mit dem Freerouting-Plugin automatisch zu routen, klicken Sie einfach auf diese Schaltfläche.

PCB-Editor: Automatisch vervollständigte Leiterbahnverlegung

In KiCad 7 wird das Entflechten einer Leiterplatte beschleunigt, indem der Layout-Editor aufgefordert wird, die bereits begonnene Leiterbahn zu vervollständigen. Verwenden Sie dazu das Tastenkürzel F (für „finish“).

Schauen wir uns ein Beispiel an. In Bild 6 sehen Sie die nicht geroutete Version der Platine für eines der Projekte in dem neuen Buch. Schalten Sie zunächst die aktive Ebene auf front copper um, geben Sie dann X ein, um das Tool Route Tracks zu aktivieren, und klicken Sie auf Pad 2 des LED-Footprints, um mit dem Zeichnen zu beginnen.

Das Layout sieht nun so aus wie in Bild 7 dargestellt.

Drücken Sie nun die Taste F auf der Tastatur, damit KiCad den Vorgang abschließt. Die Leiterbahn beendet ihren Weg auf Pad 2 von R1, wie in Bild 8 dargestellt.

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

Verbesserte Bauteilmodellierung im Schaltungssimulator

Der SPICE-Simulator wurde in KiCad 6 in den Schaltplaneditor integriert, aber nur eine kleine Anzahl von Komponenten modelliert. Für fast jede praktische Schaltung mussten Sie Online-Bibliotheken mit SPICE-Bauteilmodellen durchsuchen und diese Modelle in Ihre Simulation importieren. Um auch nur eine einfache Schaltung zuverlässig simulieren zu können, musste man sich ernsthafte SPICE-Kenntnisse aneignen. Und das ist alles andere als trivial.

In KiCad 7 ist die Situation mit den SPICE-Modellen jedoch viel besser. Der Simulator verfügt jetzt über einen grafischen Modell-Editor, mit dem Sie Ihren Schaltungskomponenten ein geeignetes Modell zuweisen, ihre verschiedenen Parameter einstellen und auf Start klicken können, um die Simulation zu starten. Lassen Sie uns ein einfaches Beispiel betrachten.

Nehmen wir an, Sie haben eine einfache Schaltung mit einer LED, einem Widerstand und einer Spannungsquelle. In Bild 9 ist oben (1) die simulationsbereite Version und unten (2) die Originalschaltung zu sehen.

In der Simulationsversion der Schaltung (1) müssen Sie SPICE-Modelle für die aktiven und passiven Komponenten zuweisen: die Spannungsquelle, die LED und den Widerstand.

Gehen wir näher auf das Spannungsquellensymbol ein. Ein Doppelklick darauf öffnet das Eigenschaftsfenster, ein Klick auf die Schaltfläche Simulation Model das Fenster des SPICE-Modell-Editors. Jedes Symbol in KiCad verfügt über einen SPICE-Modell-Editor, mit dem Sie verschiedene Parameter für die Simulation einstellen können, und Sie können Code anhängen, der das Simulationsmodell des realen Bauteils beschreibt.

Das SPICE-Modell-Editor-Fenster enthält zwei Tabs: Model und Pin Assignments. Klicken Sie auf Model. Hier können Sie dieses Symbol (bei dem es sich um eine Spannungsquelle handelt) für die Simulation konfigurieren. Betrachten Sie die verschiedenen Optionen in der Gruppe Built-in SPICE model, um die verschiedenen verfügbaren Bausteine und Typen zu sehen. Sie können die Quelle zum Beispiel so einstellen, dass sie in einem Impuls-, Sinus- oder Exponentialmuster arbeitet. Natürlich können Sie sie auch als einfache Gleich- oder Wechselstromquelle einstellen. Sie können auch einen anderen Bauteiltyp wählen, zum Beispiel einen Transistor, eine Diode oder einen Kondensator.

Wie Sie in Bild 10 sehen können, habe ich die Spannungsquelle so eingestellt, dass sie ein sinusförmiges Ausgangssignal mit einer Amplitude von 5 V 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 (Bild 11 und Bild 12).

Jedes Modell ist konfigurierbar und kann automatisch Werte aus den Eigenschaften des Schaltplansymbols beziehen. Sehen Sie sich zum Beispiel das SPICE-Modell für den Widerstand in der Schaltung an (Bild 13). Der Wert des Widerstands „330“ wurde automatisch aus dem value in den Symboleigenschaft des Widerstands gelesen. Natürlich können Sie auch Code verwenden, um ein SPICE-Modell für ein Bauteil zu definieren.

Wenden wir uns der LED zu. Ich habe meine Google-Ferigkeiten genutzt, um ein geeignetes Modell zu finden, das wie in Listing 1 aussieht (Quelle unter).Sie können dieses Modell in einer Textdatei speichern und es mit dem SPICE-Modell-Editor in das KiCad-Symbol importieren. Ich habe die Datei unter dem Namen led2.model im Verzeichnis Spice Models gespeichert.

Listing 1: Ein Modell für die Simulation.

Doppelklicken Sie auf das LED-Symbol, um das Fenster Properties aufzurufen, und klicken Sie dann auf Spice Model. Sobald das Fenster SPICE Model Editor geöffnet ist, klicken Sie auf die Registerkarte Model und laden Sie die soeben erstellte Textdatei mit dem Spice-Modell mit Hilfe des Datei-Widgets unter SPICE model from file. Da diese Spice-Modell-Datei drei Modelle enthält, verwenden Sie das Model-Widget, um „LED1“ auszuwählen (Bild 14). Wie Sie im Screenshot sehen können, habe ich die File-Methode verwendet. Ich habe das Modell in einer Textdatei mit dem Titel led2.model gespeichert und den Dateibrowser verwendet, um es zu finden und auszuwählen - (1) im Screenshot.

Die Modelldatei enthält drei einzelne Modelle. Jedes hat einen eindeutigen Namen: „LED1“, „LED2“ und „LED3“. Ich habe das Modell, das ich verwenden wollte, über das Dropdown-Menü Model ausgewählt (2 im Screenshot). Auf der Registerkarte Code sehen Sie den SPICE-Code, den KiCad für die Simulation des LED-Symbols verwenden wird. Die verschiedenen Parameter, die Sie in den Modelldefinitionen sehen, etwa IBV (Current at Breakdown Voltage), BV (Reverse Breakdown Voltage) und TT (Transit Time), sind im Ngspice-Benutzerhandbuch. beschrieben. Sie finden diese Werte im Datenblatt eines Bauelements und Sie können sie in Ihren Modellen verwenden. 

Klicken Sie auf OK und nochmals auf OK, um zum Editor zurückzukehren. Der Schaltplan ist nun bereit für die Simulation. Im nächsten Abschnitt werde ich Ihnen zeigen, wie Sie den Simulator konfigurieren.

Öffnen Sie im Schaltplaneditor das Simulatorfenster (Inspect Simulator) oder klicken Sie auf den Knopf Simulator in der oberen Symbolleiste. Klicken Sie auf den blauen Knopf Play, um die Simulation zu starten (Bild 15). Meine Simulation enthält nur 500 Punkte, so dass sie schnell abgeschlossen ist. Auf dem Screenshot sehen Sie das simulierte erfasste Signal (1), das Zeitdiagramm (2) und die Ergebnisse (3). Natürlich können Sie die Simulation ändern.
 

Sie können bei Bedarf weitere Diagramme erstellen. Klicken Sie bei aktivem Simulationsfenster auf File und dann auf New Plot, so dass ein neues Tab mit einem leeren Diagramm im Simulatorfenster angezeigt wird. Sie können Signale und Cursors hinzufügen, zoomen und „pannen“ (Auswahl eines Ausschnitts als Vollbild) und Szenarien mit verschiedenen Bauteilwerten ausprobieren. Sehen Sie sich zum Beispiel Bild 16 an. Diese Darstellung zeigt drei Signale, I für R1, I für V1 und V für Vin, und zwei Cursors, I für R1 und V für Vin. Mit der Maus kann ich die Cursors auf der vertikalen Zeitachse nach links und rechts ziehen, um den Wert des Signals zu diesem Zeitpunkt zu sehen. Ich kann auch das Scrollrad zum Vergrößern/Verkleinern und die mittlere Maustaste zum Pannen verwenden. Das Textfenster mit den Results zeigt die Analyseergebnisse an, die ich in meiner Experimentdokumentation verwenden kann.

Andere verbesserte oder neue KiCad 7-Funktionen

Sie haben gerade drei neue oder aktualisierte Funktionen in KiCad 7 gesehen. Wie Sie vielleicht vermuten, gibt es noch viel mehr. Zusätzlich zu den Funktionen, die ich behandelt habe, bietet und ermöglicht KiCad 7:

• benutzerdefinierte Textschriftarten, Textfelder und Grafikprimitive in den Schaltplan- und PCB-Editoren zu verwenden
• das Ziehen und Ablegen von Dateien in KiCad-Anwendungen
• eine verbesserte Befehlszeilenschnittstelle
• den Export von Schaltplänen und Layouts in PDF mit verbesserter Funktionalität. Sie können dies auch über die Befehlszeilenschnittstelle erreichen und somit Exportaufgaben durch Skripte automatisieren.
• Verbesserungen der Routing-Engine (mit Autovervollständigung neuer Routen) oder des Unroutings, wobei Sie eine gesamte Route durch Entfernen eines Segments löschen können
• brandneue Search- und Properties-Fenster
• deutlich verbesserte Pack&Move-Footprints

Dieser Artikel (230352-02) wird voraussichtlich in Elektor Nov/Dez 2023 erscheinen

About the Author

Dr. Peter Dalmaris is an educator, electrical engineer, electronics hobbyist, and Maker. Creator of online video courses on DIY electronics and author of several technical books including KiCad Like a Pro (Elektor, 2018) and KiCad 6 Fundamentals and Projects (Elektor, 2022). His company, Tech Explorations, offers a variety of educational courses and bootcamps for electronics hobbyists, STEM students, and STEM teachers. Elektor will publish Dalmaris's latest book, KiCad 7, in mid- or late-2023. 

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