Во второй скетч вкралась ошибка. Неверно указанно рефересное напряжение АЦП (1.1V).
было:
ADMUX=(1<<ADLAR)|(1<<REFS1)|(1<<REFS0);
а надо:
ADMUX=(1<<ADLAR)|(1<<REFS0);
В этом случае референсом для АЦП будет 5V.

Также можно попытаться улучшить характеристики применив буфер c одновременным чтением и записью.