第01章-KiCad概述与入门

第一章：KiCad概述与入门

1.1 KiCad简介

1.1.1 什么是KiCad

KiCad是一款功能强大、完全免费的开源电子设计自动化（EDA）软件套件，专门用于印刷电路板（PCB）设计。它为电子工程师、爱好者和学生提供了从原理图设计、电路仿真到PCB布局、3D可视化以及生产文件输出的完整工作流程。

KiCad的名称来源于"KiCad"（发音为"Key-Cad"），其中"Ki"代表了创始人Jean-Pierre Charras名字的缩写。作为一款开源软件，KiCad采用GPL-3.0许可证发布，这意味着用户可以自由使用、修改和分发该软件，而不需要支付任何费用。

KiCad支持多种主流操作系统，包括Windows、macOS和Linux，这使得它成为跨平台电子设计的理想选择。无论你是业余爱好者、学生、创业公司还是专业工程师，KiCad都能满足你的PCB设计需求。

1.1.2 KiCad的发展历程

KiCad的发展历程是开源软件社区协作的典范，经历了从个人项目到全球社区支持的转变：

第一阶段：诞生与早期发展（1992-2005）

KiCad最初由法国工程师Jean-Pierre Charras于1992年开发，当时他在法国国家科学研究中心（CNRS）工作。最初版本主要用于教学和研究目的，功能相对简单，但奠定了KiCad的基础架构。

第二阶段：社区形成与功能扩展（2005-2013）

随着开源运动的兴起，KiCad逐渐吸引了全球开发者的关注。在这一阶段，KiCad的功能得到了显著扩展：

引入了更完善的原理图编辑器
改进了PCB布局算法
增加了Gerber文件输出功能
建立了初步的元器件库系统

第三阶段：CERN的参与与专业化（2013-2019）

2013年是KiCad发展的重要转折点。欧洲核子研究组织（CERN）开始大力支持KiCad的开发。CERN的参与带来了：

专业工程团队的投入
推挽布线（Push and Shove）技术的引入
差分对布线功能
交互式布线器的重大改进
更完善的设计规则检查（DRC）系统

第四阶段：现代化与成熟（2019至今）

进入KiCad 5.0时代后，软件进入了快速迭代期：

KiCad 5.x：全新的用户界面，改进的3D查看器
KiCad 6.x：引入新的文件格式，改进的原理图编辑器
KiCad 7.x：增强的仿真功能，更好的性能
KiCad 8.x：改进的用户体验，新的设计功能
KiCad 9.x：IPC API、嵌入式文件支持、表格编辑等新特性

1.1.3 KiCad的主要特点

完全开源免费

与商业EDA软件不同，KiCad没有任何使用限制：

无板尺寸限制
无层数限制
无引脚数限制
无功能限制
无商业使用限制

跨平台支持

KiCad在以下平台上提供一致的用户体验：

Windows（7及以上版本）
macOS（10.14及以上版本）
Linux（主流发行版）

完整的设计流程

KiCad提供从设计到制造的完整工具链：

原理图绘制与电气规则检查
PCB布局与设计规则检查
交互式布线与自动布线
3D可视化与机械验证
Gerber文件与钻孔文件生成
BOM（物料清单）生成

强大的扩展性

KiCad支持多种扩展方式：

Python脚本自动化
插件系统
自定义元器件库
IPC API（KiCad 9+）

活跃的社区支持

KiCad拥有庞大的用户社区：

官方论坛与文档
第三方库与插件
丰富的教程资源
定期的版本更新

1.2 KiCad的核心模块

1.2.1 项目管理器（KiCad Project Manager）

项目管理器是KiCad的中央控制台，提供了统一的项目管理界面。

主要功能：

创建和管理项目文件
启动各个子工具
管理项目设置
查看项目历史

项目文件结构：

MyProject/
├── MyProject.kicad_pro      # 项目配置文件
├── MyProject.kicad_sch      # 原理图文件
├── MyProject.kicad_pcb      # PCB布局文件
├── MyProject.kicad_prl      # 项目本地设置
├── MyProject-backups/       # 备份目录
├── fp-lib-table              # 封装库表
└── sym-lib-table            # 符号库表

1.2.2 原理图编辑器（Eeschema）

Eeschema是KiCad的原理图设计工具，用于绘制电路原理图。

核心功能：

放置和连接元器件符号
层次化原理图设计
电气规则检查（ERC）
网表生成
BOM导出
注释与标注

工作流程：

添加元器件符号
连接引脚与电源
添加电源符号和网络标签
注释并编号
运行ERC检查
生成网表

1.2.3 PCB布局编辑器（Pcbnew）

Pcbnew是KiCad的PCB设计工具，用于将原理图转换为实际的电路板布局。

核心功能：

元器件布局与摆放
交互式布线
铜箔区域（覆铜）
设计规则检查（DRC）
层管理（支持多达32层）
阻抗计算

设计流程：

导入网表
定义板框边界
布局元器件
布线铜箔连接
添加覆铜区域
运行DRC检查
生成制造文件

1.2.4 3D查看器（3D Viewer）

3D查看器提供PCB设计的三维可视化功能。

主要特性：

真实感渲染
光线追踪支持
STEP/VRML模型导入
机械外形检查
碰撞检测
3D模型导出

1.2.5 符号编辑器（Symbol Editor）

符号编辑器用于创建和修改原理图符号。

功能特点：

图形化符号设计
引脚属性配置
多单元符号支持
符号库管理

1.2.6 封装编辑器（Footprint Editor）

封装编辑器用于创建和修改PCB封装。

功能特点：

焊盘设计
丝印层设计
3D模型关联
封装库管理

1.2.7 Gerber查看器（Gerber Viewer）

Gerber查看器用于预览和验证制造文件。

主要功能：

Gerber文件预览
钻孔文件查看
层叠显示
测量工具

1.2.8 电路仿真器（SPICE Simulator）

KiCad集成了SPICE仿真功能，可以在设计阶段验证电路行为。

仿真类型：

直流工作点分析
瞬态分析
交流扫描分析
傅里叶分析

1.2.9 计算器工具（Calculator Tools）

KiCad提供多种实用计算器。

可用计算器：

走线宽度计算器
阻抗计算器
电容/电感计算器
电阻色环计算器
瞬态分析计算器

1.3 KiCad的设计工作流程

1.3.1 典型PCB设计流程

一个完整的KiCad PCB设计流程通常包括以下步骤：

步骤1: 创建项目
    ↓
步骤2: 绘制原理图
    ↓
步骤3: 分配封装
    ↓
步骤4: 电气规则检查(ERC)
    ↓
步骤5: 更新PCB
    ↓
步骤6: 布局元器件
    ↓
步骤7: 布线
    ↓
步骤8: 覆铜
    ↓
步骤9: 设计规则检查(DRC)
    ↓
步骤10: 3D预览
    ↓
步骤11: 生成制造文件

1.3.2 原理图设计流程详解

1. 准备工作

明确电路功能需求
准备元器件清单
规划原理图层次结构

2. 绘制原理图

a. 放置元器件符号
   - 使用快捷键A添加符号
   - 搜索并选择所需元器件
   - 调整位置和方向

b. 连接线路
   - 使用W键绘制导线
   - 添加网络标签
   - 放置电源符号

c. 添加注释
   - 添加文字说明
   - 标注设计参数
   - 绘制辅助图形

3. 元器件编号

a. 自动注释
   - 使用注释工具
   - 选择编号方式
   - 执行注释操作

b. 手动调整
   - 修改特殊编号
   - 检查编号顺序

4. 分配封装

a. 打开封装分配工具
b. 为每个符号选择封装
c. 验证封装与符号匹配

5. 电气规则检查

a. 运行ERC
b. 分析错误和警告
c. 修复问题
d. 重新运行直到通过

1.3.3 PCB布局流程详解

1. 准备工作

从原理图更新PCB
设置板子尺寸
配置设计规则

2. 元器件布局

a. 初始布局
   - 导入元器件到板上
   - 按功能分组
   - 遵循信号流向布局

b. 优化布局
   - 考虑热管理
   - 减少走线长度
   - 便于装配测试

3. 布线设计

a. 关键信号布线
   - 优先布置关键信号
   - 使用合适的线宽
   - 避免平行布线

b. 电源和地线
   - 规划电源平面
   - 设计地线拓扑
   - 添加去耦电容

4. 覆铜处理

a. 添加覆铜区域
   - 定义覆铜边界
   - 设置网络（通常为GND）
   - 配置间隙规则

b. 填充覆铜
   - 执行覆铜填充
   - 检查覆铜连接
   - 处理热焊盘

5. 设计规则检查

a. 配置DRC规则
b. 运行DRC检查
c. 修复违规
d. 确认所有检查通过

1.4 KiCad与其他EDA软件的比较

1.4.1 KiCad vs Altium Designer

特性	KiCad	Altium Designer
价格	免费开源	商业软件（昂贵）
功能完整度	完整	非常完整
学习曲线	中等	陡峭
3D功能	良好	优秀
团队协作	基础	完善
高速设计	基础	专业级
社区支持	活跃	商业支持

1.4.2 KiCad vs Eagle

特性	KiCad	Eagle
价格	免费	免费版有限制
板尺寸限制	无	免费版有限制
层数限制	无	免费版有限制
用户界面	现代化	传统
脚本支持	Python	ULP脚本
库管理	完善	完善

1.4.3 KiCad vs EasyEDA

特性	KiCad	EasyEDA
运行方式	本地软件	在线/本地
网络依赖	无	在线版需要
功能深度	专业级	入门级
数据安全	本地存储	云端存储
性能	高	中等

1.4.4 KiCad的优势总结

适合使用KiCad的场景：

预算有限的个人/创业项目
教育和学术研究
开源硬件项目
中小型商业项目
需要跨平台的设计团队
需要二次开发和定制的场景

KiCad的核心优势：

完全免费，无任何限制
开源透明，可审计代码
活跃的社区和持续的更新
专业级的设计功能
良好的扩展性和脚本支持

1.5 环境搭建与安装

1.5.1 系统要求

Windows系统：

Windows 10或更高版本（64位）
4GB RAM（推荐8GB或更多）
约3GB可用磁盘空间
支持OpenGL 2.1的显卡

macOS系统：

macOS 10.14 Mojave或更高版本
4GB RAM（推荐8GB或更多）
约3GB可用磁盘空间

Linux系统：

主流发行版（Ubuntu、Fedora、Debian等）
4GB RAM（推荐8GB或更多）
约3GB可用磁盘空间
支持OpenGL 2.1的显卡

1.5.2 Windows安装

方法一：官方安装包

访问KiCad官网下载页面

https://www.kicad.org/download/windows/

下载最新稳定版安装程序
运行安装程序

a. 双击下载的exe文件
b. 选择安装语言（支持中文）
c. 阅读并接受许可协议
d. 选择安装组件：
   - KiCad主程序
   - 符号库
   - 封装库
   - 3D模型（可选，文件较大）
e. 选择安装路径
f. 完成安装

方法二：Chocolatey包管理器

# 以管理员身份运行PowerShell
choco install kicad

1.5.3 macOS安装

方法一：官方DMG镜像

访问KiCad官网下载页面

https://www.kicad.org/download/macos/

下载DMG镜像文件
安装步骤

a. 打开DMG文件
b. 将KiCad拖入Applications文件夹
c. 首次运行可能需要允许安全设置

方法二：Homebrew包管理器

# 添加KiCad cask
brew install --cask kicad

1.5.4 Linux安装

Ubuntu/Debian：

# 添加官方PPA
sudo add-apt-repository --yes ppa:kicad/kicad-8.0-releases
sudo apt update

# 安装KiCad
sudo apt install kicad

# 安装库（可选）
sudo apt install kicad-symbols kicad-footprints kicad-packages3d

Fedora：

# 安装KiCad
sudo dnf install kicad

# 安装库
sudo dnf install kicad-packages3d

Arch Linux：

# 安装KiCad
sudo pacman -S kicad kicad-library kicad-library-3d

1.5.5 首次运行配置

1. 语言设置

首次启动KiCad时：
a. 进入 Preferences → Configure Paths
b. 选择 Preferences → Language
c. 选择中文（简体）
d. 重启KiCad使设置生效

2. 库路径配置

a. 进入 Preferences → Configure Paths
b. 检查以下路径设置：
   - KICAD8_3DMODEL_DIR: 3D模型路径
   - KICAD8_FOOTPRINT_DIR: 封装库路径
   - KICAD8_SYMBOL_DIR: 符号库路径

3. 默认编辑器设置

a. 进入 Preferences → Preferences
b. 在Common部分设置文本编辑器
c. 配置PDF查看器（用于数据手册）

1.6 第一个KiCad项目

1.6.1 创建新项目

让我们通过创建一个简单的LED闪烁电路来熟悉KiCad的基本操作。

步骤1：启动KiCad并创建项目

1. 启动KiCad项目管理器
2. 点击 File → New Project
3. 选择项目保存位置
4. 输入项目名称：LED_Blinker
5. 点击保存

步骤2：了解项目结构

创建项目后，KiCad会生成以下文件：

LED_Blinker/
├── LED_Blinker.kicad_pro    # 项目主文件
├── LED_Blinker.kicad_sch    # 原理图文件
└── LED_Blinker.kicad_pcb    # PCB文件

1.6.2 绘制简单原理图

电路设计目标：
使用555定时器制作一个简单的LED闪烁电路。

所需元器件：

NE555定时器 × 1
LED × 1
电阻 × 3
电解电容 × 1
电源接头 × 1

绘制步骤：

1. 打开原理图编辑器

在项目管理器中双击 LED_Blinker.kicad_sch

2. 添加555定时器

a. 按A键打开添加符号对话框
b. 搜索"NE555"或"Timer"
c. 选择Timer:NE555
d. 点击放置到画布上
e. 按ESC退出放置模式

3. 添加电阻

a. 按A键
b. 搜索"R"
c. 选择Device:R
d. 放置3个电阻
e. 双击电阻修改值（例如：1k, 10k, 470）

4. 添加电容

a. 按A键
b. 搜索"C"或"CP"（极性电容）
c. 选择Device:CP
d. 放置电容
e. 双击修改值（例如：10uF）

5. 添加LED

a. 按A键
b. 搜索"LED"
c. 选择Device:LED
d. 放置LED

6. 添加电源符号

a. 按P键打开电源符号对话框
b. 添加VCC和GND符号

7. 连接线路

a. 按W键进入画线模式
b. 点击引脚开始画线
c. 连接到目标引脚
d. 按ESC退出画线模式

1.6.3 运行电气规则检查

执行ERC：

1. 点击 Inspect → Electrical Rules Checker
2. 点击 Run ERC
3. 查看并修复报告的问题
4. 重复直到无错误

常见ERC错误及解决方法：

未连接的引脚：添加"no connect"标志或连接到网络
电源输入无驱动：确保电源网络已连接
引脚类型冲突：检查符号引脚定义

1.6.4 分配封装

打开封装分配工具：

1. 点击 Tools → Assign Footprints
2. 为每个元器件选择合适的封装：
   - NE555: Package_DIP:DIP-8_W7.62mm
   - R: Resistor_THT:R_Axial_DIN0207_L6.3mm_D2.5mm_P10.16mm
   - CP: Capacitor_THT:CP_Radial_D5.0mm_P2.50mm
   - LED: LED_THT:LED_D5.0mm
3. 点击OK确认

1.6.5 创建PCB布局

更新PCB：

1. 在原理图编辑器中点击 Tools → Update PCB from Schematic
2. 确认设置后点击 Update PCB
3. PCB编辑器会打开，所有元器件将出现在板外

布局元器件：

1. 按E键选择并移动元器件
2. 按R键旋转元器件
3. 将元器件整齐排列在板子区域内
4. 注意元器件间的逻辑关系

绘制板框：

1. 选择Edge.Cuts层
2. 使用绘图工具绘制板子轮廓
3. 确保形成封闭图形

布线：

1. 按X键进入布线模式
2. 点击一个焊盘开始布线
3. 移动鼠标并点击添加拐点
4. 点击目标焊盘完成连接
5. 重复直到所有连接完成

1.6.6 设计规则检查

运行DRC：

1. 点击 Inspect → Design Rules Checker
2. 点击 Run DRC
3. 检查并修复报告的问题
4. 确保所有检查通过

1.6.7 3D预览

查看3D模型：

1. 点击 View → 3D Viewer
2. 使用鼠标旋转和缩放查看
3. 检查元器件高度和位置
4. 确认整体外观

1.6.8 生成制造文件

生成Gerber文件：

1. 点击 File → Plot
2. 选择输出目录
3. 选择需要的层：
   - F.Cu (顶层铜箔)
   - B.Cu (底层铜箔)
   - F.Silkscreen (顶层丝印)
   - B.Silkscreen (底层丝印)
   - F.Mask (顶层阻焊)
   - B.Mask (底层阻焊)
   - Edge.Cuts (板框)
4. 点击 Plot 生成文件

生成钻孔文件：

1. 在Plot对话框中点击 Generate Drill Files
2. 配置钻孔格式（通常选择Excellon）
3. 点击 Generate Drill File

1.7 常见问题与解决方案

1.7.1 安装相关问题

问题1：Windows安装后无法启动

解决方案：

1. 确保系统为64位Windows
2. 检查显卡驱动是否支持OpenGL 2.1
3. 以管理员身份运行KiCad
4. 检查杀毒软件是否阻止KiCad

问题2：库路径错误

解决方案：

1. 打开 Preferences → Configure Paths
2. 检查环境变量设置
3. 确保库文件已正确安装
4. 重新配置路径指向正确位置

1.7.2 原理图设计问题

问题1：找不到需要的元器件符号

解决方案：

1. 使用通配符搜索（如*555*）
2. 检查符号库是否已加载
3. 从在线库下载（如SnapEDA、Ultra Librarian）
4. 创建自定义符号

问题2：ERC报告大量警告

解决方案：

1. 为未使用的引脚添加"no connect"标志
2. 正确配置电源标志的类型
3. 检查引脚连接是否正确
4. 调整ERC设置忽略特定警告

1.7.3 PCB设计问题

问题1：无法完成布线

解决方案：

1. 检查设计规则设置
2. 尝试调整元器件位置
3. 使用更细的线宽
4. 考虑增加过孔或改变布线层

问题2：DRC报告间距错误

解决方案：

1. 调整走线间距
2. 修改覆铜清除设置
3. 检查焊盘间距
4. 重新规划走线路径

1.8 学习资源与社区

1.8.1 官方资源

官方网站

https://www.kicad.org/

官方文档

https://docs.kicad.org/

官方论坛

https://forum.kicad.info/

GitLab仓库

https://gitlab.com/kicad/code/kicad

1.8.2 学习途径

入门学习：

阅读官方入门指南
观看YouTube视频教程
完成示例项目
参与社区讨论

进阶学习：

学习高级设计技巧
研究设计规则优化
学习Python脚本开发
参与开源项目贡献

1.8.3 推荐资源

中文资源：

极客工坊KiCad教程
知乎KiCad专栏
B站KiCad视频教程

英文资源：

DigiKey KiCad系列教程
Contextual Electronics
Chris Gammell的KiCad系列

1.9 本章小结

本章全面介绍了KiCad电子设计自动化软件的基础知识：

KiCad简介：了解了KiCad的历史、特点和优势，以及它在EDA软件市场中的定位。
核心模块：熟悉了KiCad的各个组成部分，包括项目管理器、原理图编辑器、PCB布局编辑器、3D查看器等。
设计流程：掌握了从原理图设计到PCB布局的完整工作流程。
软件比较：了解了KiCad与其他EDA软件的异同，明确了KiCad的适用场景。
环境搭建：学习了在不同操作系统上安装和配置KiCad的方法。
实战入门：通过创建一个简单的LED闪烁电路项目，实践了KiCad的基本操作。
问题解决：了解了常见问题及其解决方案。
学习资源：获得了进一步学习KiCad的资源和途径。

通过本章的学习，读者应该对KiCad有了全面的了解，并能够独立创建简单的PCB设计项目。在接下来的章节中，我们将深入学习KiCad的各个功能模块，掌握更多的设计技巧和最佳实践。

下一章我们将详细介绍KiCad的环境搭建与安装配置，包括高级配置选项和开发环境的准备。

posted @ 2026-01-10 13:17 我才是银古阅读(104) 评论(0) 收藏举报

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第01章-KiCad概述与入门

第一章：KiCad概述与入门

1.1 KiCad简介

1.1.1 什么是KiCad

1.1.2 KiCad的发展历程

1.1.3 KiCad的主要特点

1.2 KiCad的核心模块

1.2.1 项目管理器（KiCad Project Manager）

1.2.2 原理图编辑器（Eeschema）

1.2.3 PCB布局编辑器（Pcbnew）

1.2.4 3D查看器（3D Viewer）

1.2.5 符号编辑器（Symbol Editor）

1.2.6 封装编辑器（Footprint Editor）

1.2.7 Gerber查看器（Gerber Viewer）

1.2.8 电路仿真器（SPICE Simulator）

1.2.9 计算器工具（Calculator Tools）

1.3 KiCad的设计工作流程

1.3.1 典型PCB设计流程

1.3.2 原理图设计流程详解

1.3.3 PCB布局流程详解

1.4 KiCad与其他EDA软件的比较

1.4.1 KiCad vs Altium Designer

1.4.2 KiCad vs Eagle

1.4.3 KiCad vs EasyEDA

1.4.4 KiCad的优势总结

1.5 环境搭建与安装

1.5.1 系统要求

1.5.2 Windows安装

1.5.3 macOS安装

1.5.4 Linux安装

1.5.5 首次运行配置

1.6 第一个KiCad项目

1.6.1 创建新项目

1.6.2 绘制简单原理图

1.6.3 运行电气规则检查

1.6.4 分配封装

1.6.5 创建PCB布局

1.6.6 设计规则检查

1.6.7 3D预览

1.6.8 生成制造文件

1.7 常见问题与解决方案

1.7.1 安装相关问题

1.7.2 原理图设计问题

1.7.3 PCB设计问题

1.8 学习资源与社区

1.8.1 官方资源

1.8.2 学习途径

1.8.3 推荐资源

1.9 本章小结

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