Resolvi testar alguns aplicativos de osciloscópios para Android e achei dois interessantes: Oscilloscope Pro e  Sound Oscilloscope  (ambos gratuitos na Play Store). Na página de um deles havia um link para o Instructables, onde há um circuito de proteção e pré amplificação que serve para ambos programas.

O circuito é este:

Ao invés do TLC272 eu montei com o LM358.

Editado: o LM358 é muito ruim. Ele introduz uma espécie de distorção tipo crossover no sinal de saída.  Troquei pelo TLC272 e também pelo TL072 e 4558. Todos estes cis tem um desempenho muito melhor.

No meu celular, no jack há 4 vias. Só os dois últimos anéis (contados a partir da ponta) são usados para o terra e "mic" que vai receber o sinal do circuito anterior.
[spoiler][/spoiler]

Agora há pouco consegui testar o circuito e os programas. Tirei fotos comparando o osciloscópio comum com o no celular. O primeiro é o Oscilloscope Pro:
[spoiler]
[/spoiler]
O Oscilloscope Pro pode ser usado também com um hardware do desenvolvedor, que se liga por USB e assim permite ter 2 canais. No caso de entrada pelo "mic" só terá 1 canal.

E depois o Sound Oscilloscope:
[spoiler]

[/spoiler]

O Sound Oscilloscope tem um recurso de análise de espectro por FFT (última foto).

Eu não cheguei a verificar a validade dos valores mostrados na tela com as escalas, mas com certeza precisam ser calibrados. Usei ainda uma forma de onda dente de serra, mas não ficou muito bom.
São testes preliminares, mas deu pra ver que funcionam pelo menos para mostrar formas de onda de um jeito rudimentar e improvisado pra quem precisa de um osciloscópio rápido e barato. Não preciso dizer que não serve pra usar com tensões altas. Até uns 20V é aceitável. Então amplificador valvulado nem pensar.  Mas pra achar um problema num pedal pode ser uma boa ajuda.
Com os dois programas e sem o circuito ligado ao celular, o sinal captado pelo microfone do celular aparece nas telas. Assim é possível captar e visualizar sons ambientes ou vindos de alto-falantes, bem como voz e assobios.

Legal Xformer

Eu sempre tive um certo receio em relação a esses osciloscópios que usam a entrada de áudio do celular ou PC. Minha dúvida é se ele suporta sinal DC também e, talvez seja uma dúvida que já tenho a resposta, a frequência limite de media (acredito que entre 20Hz e 20KHz por se tratar de uma entrada de áudio).
  Eu tenho um tablet parado aqui em casa, é um tablet DL de 7 polegada. Penso em usá-lo p/ algo desse gênero e creio que recursos como FFT seria uma mão na roda em certas ocasiões.
Eu montei o osciloscópio aqui do fórum, achei ele bem legal, me ajudou em várias situações.

Minha dúvida é se ele suporta sinal DC também e, talvez seja uma dúvida que já tenho a resposta, a frequência limite de media (acredito que entre 20Hz e 20KHz por se tratar de uma entrada de áudio).
  Eu tenho um tablet parado aqui em casa, é um tablet DL de 7 polegada. Penso em usá-lo p/ algo desse gênero e creio que recursos como FFT seria uma mão na roda em certas ocasiões.
Eu montei o osciloscópio aqui do fórum, achei ele bem legal, me ajudou em várias situações.

Ele não mede sinal DC por causa dos capacitores de acoplamento (tanto na entrada como na saída do atenuador-buffer) que bloqueiam o nível DC.
Sobre usar o tablet, precisa ver se ele tem entrada de áudio e se alguém fez um aplicativo para ele (caso seja Android a chance é boa desses aplicativos funcionarem nele).
Nem lembrava mais desse osciloscópio com ATMEGA que você montou, ficou bem legal.