逻辑分析仪主要包括数据捕获和数据显示两大部分。逻辑分析仪一般采用先进行数据采集并存储，然后进行数据分析显示方式。
　　数据捕获部分包括信号输入、比较采样、触发控制、数据存储和时钟电路等。外部被测信号通过探头送到信号输入电路，在比较器中与设定的门限电压进行比较，大于门限电压值的信号为高电平，反之为低电平。采样电路在采样时钟（外时钟或内时钟）控制下对信号进行采样，并将数据流送到触发模块中，产生触发信号。数据存储电路在触发信号的作用下进行相应的数据存储控制。数据捕获完成后，由分析显示电路将存储的数据处理之后以适当方式显示出来。

　　大多数逻辑分析仪实际是由定时分析仪和状态分析仪组成的。
　　定时分析：也称为异步时序分析。在逻辑分析仪内部高速采样时钟的驱动下，对输入信号进行异步数据采样，采样的数据用方波的形式进行显示。逻辑分析仪在内部高速时钟的驱动下对信号输入进行异步采样，其测量结果用于分辨相关信号间的时序关系，例如建立时间、保持时间、协议应答等。根据采样定理，内部采样时钟要高于被测信号频率的3倍以上到正确的采样数据，内部采样时钟频率越高，定时分辨率就越高，精确度也越高，时序关系就越精准。广州致远电子有限公司出品的LAB6000系列逻辑分析仪采样频率为5GHz，定时分辨率可以高达200ps。定时分析模式一般用于硬件系统的测试。
　　状态分析：也称为同步时序分析。在外部同步时钟的驱动下，逻辑分析仪对输入信号进行同步数据采样，显示的时候，用二进制码或配合软件用映射图或反汇编成助记符，由于采集到的状态数据与被测信号数据流状态完全一致，因此可以用于直接观测程序的源代码。状态分析模式一般用于对系统软件进行测试。
　　根据硬件设备设计上的差异，目前市面上逻辑分析仪大致上可分为台式逻辑分析仪和基于PC的虚拟逻辑分析仪。台式逻辑分析仪是将所有的测试软件、运算管理元件以及显示部分整合在一台仪器之中；虚拟逻辑分析仪则需要搭配PC机一起使用，通过PC机来显示结果。相比动辄上十数万元的台式逻辑分析仪，虚拟逻辑分析仪具有价格便宜、性价比高、分析能力强、用户界面友好、操作简单、体积小巧等优点。另外，广州致远电子有限公司出品的逻辑分析仪还把其他的数字测试设备的功能融合在一起，典型的有逻辑笔、频率计、总线分析、协议分析等，使得逻辑分析仪在数字测试方面的功能更加强大。