Prueba a configurar el prescaler del ADC (registro ADCSRA, bits 2:0). Al aumentar la frecuencia del módulo ADC disminuye la precisión. Atmel recomienda para 10 bits, que el reloj del ADC debe estar entre 50 kHz-200 kHz. Con un prescaler de 64, estarías un poco por encima pero cercano a lo recomendado para 10 bits (250 kHz). Si no me equivoco en las cuentas, la conversion cuesta 13 ciclos y el cristal es de 16Mhz, por lo que (16000/64)/13=19230 Hz, por lo que nuestro amigo Nyquist dice que podrías adquirir señales de hasta 8 kHz con esta configuración.
A parte, existe una modalidad del ADC, que te inicia la conversión cuando hay overflow, por ejemplo, del timer 0 ó 1 (se configura en el registro ADCSRB). Yo creo que te interesa ésto, para adquirir de forma periódica.
Otra cosa que puedes usar es sólo 8 bits, y de esta manera,sólo tienes que leer un registro (para aumentar velocidad al no tener que hacer operaciones al recoger el valor del conversor y por otro lado podrías aumentar más la frec del ADC).
Todo ésto lo tienes en el datasheet del micro, ya que el lenguaje Arduino no lo tiene implementado. Pero claro, estamos hablando de una cosa muy específica y que necesitas profundizar.
