邏輯分析儀主要包括數據捕獲和數據顯示兩大部分。邏輯分析儀一般采用先進行數據采集并存儲，然后進行數據分析顯示方式。
數據捕獲部分包括信號輸入、比較采樣、觸發控制、數據存儲和時鐘電路等。外部被測信號通過探頭送到信號輸入電路，在比較器中與設定的門限電壓進行比較，大于門限電壓值的信號為高電平，反之為低電平。采樣電路在采樣時鐘（外時鐘或內時鐘）控制下對信號進行采樣，并將數據流送到觸發模塊中，產生觸發信號。數據存儲電路在觸發信號的作用下進行相應的數據存儲控制。數據捕獲完成后，由分析顯示電路將存儲的數據處理之后以適當方式顯示出來。
邏輯分析儀的原理結構.jpg
大多數邏輯分析儀實際是由定時分析儀和狀態分析儀組成的。
定時分析：也稱為異步時序分析。在邏輯分析儀內部高速采樣時鐘的驅動下，對輸入信號進行異步數據采樣，采樣的數據用方波的形式進行顯示。邏輯分析儀在內部高速時鐘的驅動下對信號輸入進行異步采樣，其測量結果用于分辨相關信號間的時序關系，例如建立時間、保持時間、協議應答等。根據采樣定理，內部采樣時鐘要高于被測信號頻率的3倍以上到正確的采樣數據，內部采樣時鐘頻率越高，定時分辨率就越高，度也越高，時序關系就越精準。廣州致遠電子有限公司出品的LAB6000系列邏輯分析儀采樣頻率為5GHz，定時分辨率可以高達200ps。定時分析模式一般用于硬件系統的測試。
狀態分析：也稱為同步時序分析。在外部同步時鐘的驅動下，邏輯分析儀對輸入信號進行同步數據采樣，顯示的時候，用二進制碼或配合軟件用映射圖或反匯編成助記符，由于采集到的狀態數據與被測信號數據流狀態完全一致，因此可以用于直接觀測程序的源代碼。狀態分析模式一般用于對系統軟件進行測試。
根據硬件設備設計上的差異，目前市面上邏輯分析儀大致上可分為臺式邏輯分析儀和基于PC的虛擬邏輯分析儀。臺式邏輯分析儀是將所有的測試軟件、運算管理元件以及顯示部分整合在一臺儀器之中；虛擬邏輯分析儀則需要搭配PC機一起使用，通過PC機來顯示結果。相比動輒上十數萬元的臺式邏輯分析儀，虛擬邏輯分析儀具有價格便宜、性價比高、分析能力強、用戶界面友好、操作簡單、體積小巧等優點。另外，廣州致遠電子有限公司出品的邏輯分析儀還把其他的數字測試設備的功能融合在一起，典型的有邏輯筆、頻率計、總線分析、協議分析等，使得邏輯分析儀在數字測試方面的功能更加強大。