negative Spannungen mit ATmega??

Was sagt das Datenblatt dazu?

Kenne den AVR nicht, aber das würde nur gehen, wenn die positive und 
negative Referenzspannung vom ADC herausgeführt ist und entsprechend 
beschaltet wurde. Allerdings wird es dann doch nicht gehen, da dann die 
Schutzdioden der verwendeten I/O's ansprechen würden.
Es bleibt also wohl nix anderes als mit Zusatzelektronik das zu messende 
Signal auf einen Pegel zu schieben / skalieren, mit dem der ADC was 
anfangen kann, sprich zwischen GND und VCC.

Übrigens bestünde solch eine Pegelanpassung im besten Fall nur aus ein 
paar Widerständen. Im schlechten Fall noch aus einem 
Operationsverstärker und dessen Beschaltung.