Non vedo il problema. Avrai sempre bisogno di un'alimentazione duale perché non potrai mai alimentare l'Atmega a 9V. E neanche a 6V: questo è un valore massimo oltre il quale non andare pena danni sicuri e certi, ma la tensione di alimentazione massima consigliata è di 5,5V anche se poi si tende ad usare i 5V.
Quindi che tu usi un regolatore per scendere da 9V a 5V o per scendere a 3,3V non cambia molto.
Per rispondere alla tua domanda, da una batteria si ottengono le tensioni necessarie con appositi regolatori.