Ich empfehle einen RailToRail OpAmp wie z.B. TLC272 / 274, der asymmetrisch mit 5V versorgt wird; damit ist keine Schutzbeschaltung erforderlich, da die Ausgangsspannung des OpAmp genau im Bereich des A/D-Wandlers liegt bzw. dort hin verstärkt werden kann.
Wie der OpAmp nun beschaltet wird, ob als Spitzengleichrichter oder mit Filter für einen Frequenzbereich ist dann freigestellt.
Der Rest ist wirklich nur noch Software.