Quando si parla di digitalizzazione dei segnali analogici (infatti un convertitore analogico-digitale è in grado di convertire una tensione analogica di ingresso in una corrispondente combinazione di bit di uscita) si introduce il concetto di "quantizzazione". Infatti, mentre un segnale analogico può assumere tutti gli infiniti valori compresi in un intervallo, la sua rappresentazione digitale può assumere solamente 2^N valori dell'intervallo, dove N è il numero di bit del convertitore.

Per questo motivo si effettua sull'intervallo di tensione d'ingresso la così detta "quantizzazione", ossia si divide l'intervallo di tensione per 2^N ottenendo altrettanti intervalli di tensione ad ognuno dei quali si associa una combinazione d'uscita. I 2^N intervalli sono detti livelli di quantizzazione.

La distanza fra due intervalli contigui viene definita "passo di quantizzazione" al quale corrisponde la variazione meno significativa della tensione di ingresso che produrrà la variazione meno significativa dell'uscita, ossia la combinazione d'uscita incrementa del bit meno significativo (di un LSB).

Il valore del passo di quantizzazione è legato all'ampiezza dell'intervallo, cioè è funzione del numero di bit d'uscita e della tensione di fondo scala V_FS.

                                                                                                                                          (2.1.1)

Dato che ad ogni intervallo corrisponde una combinazione digitale, nel processo inverso avremo che alla combinazione digitale corrisponderà un solo valore analogico associato al valore centrale dell'intervallo.

L'errore commesso e è calcolato come:

                                                                                                                                        (2.1.2)

Vediamo come si suddivide un intervallo di tensione.

Se il convertitore è a 2 bit e quindi con 2² = 4 combinazioni di uscita, e se il range della tensione di ingresso è 0 ¸ 4, avremo questo tipo di suddivisione in intervalli:

nella quale i valori 0, 1, 2, 3, sono i valori centrali degli intervalli.

Il passo di quantizzazione sarà dato da:

                                                                                                                                     (2.1.3)

Il valore di fondo scala vale 4V, mentre il valore massimo di tensione vale:

                                                                                                        (2.1.4)

Un altro tipo di suddivisione potrebbe essere la seguente:

In questo tipo di suddivisione i valori centrali degli intervalli sono: 0,5V, 1,5V, 2,5V, 3,5V. Ad una tensione di quasi 1V (ad es. 0.9V) viene associata la combinazione digitale 00. Nella riconversione, dalla combinazione digitale al valore analogico, avremo 0V, commettendo un errore di 0,9V e quindi un errore superiore all'e che è, nel nostro esempio, pari a 0,5V. Nella prima rappresentazione invece (quella di Figura 1), ad una tensione pari a 0,9V si associa la combinazione 01 e nella riconversione avremo che il valore analogico corrispondente alla combinazione 01 è 1V. In questo caso commettiamo un errore di 0,1V; un errore dunque minore di e .

In un ADC (convertitore analogico/digitale) i valori digitali di uscita non riproducono fedelmente il segnale di ingresso ma ne danno una rappresentazione approssimata, tanto più precisa quanto minore è il passo di quantizzazione, cioè quanto maggiore è il numero degli intervalli. Ma questo numero è limitato ed è legato al numero di bit utilizzati per la rappresentazione digitale.

Sono comuni convertitori A/D con uscite a 8, 10, 12 bit (versioni più sofisticate presentano 14, o 16 bit) che consentono rispettivamente 2⁸ = 256, 2¹⁰ = 1024, 2¹² = 4096 livelli di quantizzazione.

Il numero di bit d'uscita da un A/D e di ingresso in un D/A, viene indicato come "risoluzione" poiché indica quale è la minima variazione del segnale di ingresso che può essere rilevata in uscita.

Un altro problema che si incontra nell'uso dei convertitori A/D è definire la frequenza di campionamento "campionamento" del segnale da convertire per poterlo poi in seguito ricostruire.

La conversione di un segnale da analogico a digitale consiste nel campionare un valore del segnale ad un dato istante e mantenerlo costante fino a quando non sarà campionato un altro valore analogico.

Al fine di riottenere il segnale analogico che è stato campionato e convertito in digitale, bisogna disporre di un sufficiente numero di valori campionati al fine di riottenere, riconvertendo da digitale ad analogico, il segnale analogico originariamente campionato.

Al fine di definire il numero di campioni da prendere esiste il teorema del campionamento, noto anche come teorema di Shannon, con il quale si stabilisce che la frequenza di campionamento deve essere maggiore o uguale al doppio della frequenza massima del segnale in esame:

                                                                                                                                               (2.1.4.)

Per ricostruire fedelmente il segnale bisogna campionare con una frequenza maggiore del doppio della frequenza massima del segnale.

Per ricostruire un segnale analogico campionato e convertito in digitale è necessario utilizzare un DAC seguito da un filtro passa-basso la cui risposta deve essere piatta fino alla frequenza , per annullarsi alla frequenza . Se si campionasse alla frequenza minima , non sarebbe possibile il filtraggio in fase di ricostruzione del segnale. Infatti, per , la risposta del filtro dovrebbe essere piatta fino alla frequenza per poi annullarsi sempre per e ciò è tipico solo di un filtro ideale.

I tipi più comuni di convertitori A/D sono:

convertitore a comparatori in parallelo (o flash)

convertitore ad approssimazioni successive

convertitore a rampa digitale ed asservito

convertitore a doppia rampa

convertitore a conversione intermedia di frequenza.

Le differenze in assoluto, oltre ai principi di funzionamento, sono da rilevarsi nei tempi di conversione.