模擬信號轉成數字信號需要經過采樣-保持-量化-編碼這四個過程。下面逐一來分析這四個過程。

采樣：采樣要滿足采樣定理，采樣定理(香農采樣定理或奈奎斯特采樣定理)是美國電信工程師H.奈奎斯特在1928年提出的，在數字信號處理領域中，采樣定理是連續時間信號(通常稱為"模擬信號")和離散時間信號(通常稱為"數字信號")之間的基本橋梁。該定理說明采樣頻率與信號頻譜之間的關系，是連續信號離散化的基本依據。它為采樣率建立了一個足夠的條件，該采樣率允許離散采樣序列從有限帶寬的連續時間信號中捕獲所有信息。采樣定理又稱取樣定理、抽樣定理。采樣定理說明采樣頻率與信號頻譜之間的關系，是連續信號離散化的基本依據。

采樣定理的定義為：為了不失真地恢復模擬信號，采樣頻率應該不小于模擬信號頻譜中最高頻率的2倍。即fs≥2f max。如圖3-3所示。在圖3-3中，X(t)是被采樣信號，U(p)是采樣序列示意，X'(t)是采樣之后的信號示意。根據圖3-3，不難看出，如果采樣頻率過低，低于信號的最大頻率，那這個信號就不能被還原，甚至會產生混疊，即上一個周期的波形和下一個周期混合到一起去。

圖3-3 采樣定理波形示意

保持：采樣保持電路由模擬開關、存儲元件和緩沖放大器A組成。在采樣時刻，加到模擬開關上的數字信號為低電平，此時模擬開關被接通，使存儲元件(通常是電容器)兩端的電壓UB隨被采樣信號UA變化。當采樣間隔終止時，D變為高電平，模擬開關斷開，UB則保持在斷開瞬間的值不變。緩沖放大器的作用是放大采樣信號，它在電路中的連接方式有兩種基本類型：一種是將信號先放大再存儲，另一是先存儲再放大。對理想的采樣保持電路，要求開關沒有偏移并能隨控制信號快速動作，斷開的阻抗要無限大，同時還要求存儲元件的電壓能無延遲地跟蹤模擬信號的電壓，并可在任意長的時間內保持數值不變。采樣保持的波形如圖3-4所示。

圖3-4 采樣保持電路的輸出隨輸入變化的波形圖

采樣后，還需要對采樣信號進行量化。為什么量化呢?就算是經過采樣，采樣點的值依舊是模擬信號本身的值，該多少是多少，沒有變化，那么多的值，而且還有可能各不相同，那處理起來同樣是很困難啊。為了把無限多個值，變成有限個值，就需要用量化這個技術了。

如果是N位ADC，則把信號幅度值(也就是縱軸)進行2^N次均勻分割，采樣點落入哪個區間，就取這個區間所對應的二進制值(N位)，這么做就實現了無限個值變成有限個值的目的了。如圖3-5所示。

圖3-5 量化示意圖

上述的采樣和量化兩個階段，實際上分別是將時間連續，幅度連續的模擬信號，進時間離散分割，幅度離散分割。到此時，模擬信號實際上還沒有變成數字信號，只是變成了在時間上和幅度上離散的信號，而正真數字化是在編碼階段進行的。

編碼：編碼實際上是將量化電路輸出的狀態轉成特定的二進制編碼，進行輸出，這個階段由于AD芯片的不同，輸出的編碼格式可能有區別。

再來看量化電路，量化電路實際上是將一個電壓進行2^N次分割的電路。2^N次分割，這個數量可能有點多，不利于分析。先來看一個簡化模型，如果要將一個電壓信號量化成大于2.5V和小于等于2.5V的兩個狀態，應該怎么做?這里想到了比較器電路，只要將比較器的反向參考電壓設置為2.5V，那么當輸入電壓大于2.5V時，比較器輸出高電平，低于2.5V比較器輸出低電平。雖然量化的狀態只有兩種，但實際上確實是實現了量化的目的。那么請再思考一下，如果要將5V量化成4種狀態，以1.25V為一個量化檔位，那該怎么做呢?那就需要用到三個比較器，并且分別設置不同的參考電壓。如圖3-6所示。

圖3-6 四狀態量化電路

分析圖3-6的電路，我們不難得出輸入與輸出的狀態。

由此再來做個思想實驗，假設有N個比較器單元，每個比較器單元的參考電壓為

那就可以將輸入電壓分成N種狀態，即量化N個值，以上就是一種早期的并行比較AD的原理。

Vmax即為此ADC的參考電壓。

量化電路其實是對連續的模擬信號在幅度維度上的離散化過程，一個量化電路是ADC內部最核心的部分，其實現原理決定了這個ADC的類型。以上是并行比較ADC的原理，并行比較型A/D轉換器由電阻分壓器、電壓比較器、數碼寄存器及編碼器4個部分組成。這種A/D轉換器最大的優點是轉換速度快，其轉換時間只受電路傳輸延遲時間的限制，最快能達到低于20ns。缺點是隨著輸出二進制位數的增加，器件數目按幾何級數增加。一個n位的轉換器，需要2n-1個比較器。例如，n=8時，需要2^8-1=255個比較器。因此，制造高分辨率的集成并行A/D轉換器受到一定限制。顯然，這種類型的A/D轉換器適用于要求轉換速度高、但分辨率較低的場合。

除并行ADC以外，還有非常多種類的ADC，如逐次逼近型AD，雙積分型AD，壓頻轉換型AD，這些AD在后面用到時再來詳細分析其原理及特性參數。