Wenn es um eine Messung mit 0,002 mV Auflösung geht, braucht man schon ein hochwertige Verstärkung des Signals. Es gibt zwar eine interne Verstärkung bei einigen AVRs, aber da hat man nur einige feste Werte für die Verstärkung (z.B. 20/200), außerdem ist die Genauigkeit nicht besonders hoch. Eine passende Lösung wäre eine Verstärkung durch einen externen hochwertigen OP, wie etwa einem AD8551, LTC1052 oder was ähnliches. Ein durchaus brauchbare Alternative wäre ggf. auch ein besserer AD Wandler, der gleich so kleine Spannungen messen kann. Es hängt aber von der Signalquelle ab, ob es geht. Eine Möglichkeit wäre da z.B. ein MCP3421 oder LTC2400.