操縱桿的基本原理是將塑料桿的運動轉換成計算機能夠處理的電子信息。這種基本的設計包括一個安放在帶有彈性橡膠外殼的塑料底座上的操縱桿。在底座中操縱桿正下方位置裝有一塊電路板。電路板由一些“印刷線路”組成，并且這些線路連接到幾個接觸觸點。然后，從這些觸點引出普通電線連接到計算機。
印刷線路構成了一個簡單的電路（該電路由一些更小的電路構成）。這些線路僅僅將電流從一個觸點傳送到另一個觸點。當操縱桿處于中間位置時，也就是當您還未將操縱桿推向任何一邊時，除了一個電路之外的所有其他電路均處于斷開狀態。由于每條線路中的導體材料并沒有連接，因此電路中沒有電流通過。
每個斷開部分的上方覆蓋著一個帶有小金屬圓片的簡單塑料按鈕。當您朝任一方向移動操縱桿時，操縱桿便會向下擠壓其中的一個按鈕，使導電的金屬圓片接觸到電路板。如此一來，就可以閉合電路，完成兩個線路部分的連接。電路閉合之后，電流就會從計算機（或游戲控制臺）沿著一條線路流過，穿過印刷線路，通過另外一條線路返回計算機（或游戲控制臺）。
分壓器
每個分壓器由一個卷曲導軌形式的電阻和一個可移動的觸臂組成。計算機電源的電流從輸入端開始，通過卷曲的電阻和觸臂，流回計算機的操縱桿端口。
沿著導軌移動觸臂，可以增大或減小作用于流經此電路的電流的電阻值。如果觸臂位于與分壓器輸入連接端相對的另一端，電流將流經整個長度的電阻，因而電流遇到的電阻最大。如果觸臂靠近輸入端，則分壓器的電阻最小。
操縱桿每個分壓器連接到操縱桿的一個軸，因此轉動軸將會移動觸臂。也就是說，如果將操縱桿向前推動到頭，則會將分壓器觸臂移動到導軌的一端，如果向胸前回拉操縱桿，則將觸臂向另一方向移動。
改變分壓器的電阻值可以改變接入分壓器的電路中的電流。通過這種方式，分壓器先將操縱桿的物理位移轉換成電信號，再將信號傳遞到計算機上的操縱桿端口。
此電信號是模擬信號，是一種包含信息的變化的波形，就像無線電信號一樣。為了利用這種信息，計算機需要將其轉換成數字信息，即精確的數值。
數字化
操縱桿在傳統的系統中，計算機內部的卡（印刷線路板）通過使用非常粗糙的模數轉換器完成這個任務。其基本思路是利用每個分壓器引起的電壓變化為電容充電，電容是一個簡單的儲存電荷的電子元件（有關更多信息，請參見電容器工作原理）。調節分壓器使電阻值越大，電容充電的時間越長；分壓器電阻值越小，電容充電速度越快。
先將電容放電然后再計算電容充電所需的時間，通過這個方式轉換器以此確定分壓器的位置，從而確定操縱桿的位置。測量到的充電速率是計算機可以識別的數值。當計算機需要讀取操縱桿位置時，便會執行此操作。
將分壓器連接到旋轉的部件，可以將這種系統應用到各種控
制系統中。例如，傳統的方向盤的工作原理即是如此，通過方向盤直接轉動分壓器觸臂。一些操縱桿還使用一個對應于Z軸的分壓器，Z軸由操縱桿自身的轉動來帶動。 一些操縱桿還帶有一個“大高帽”（操縱桿頂部的一個用拇指操控的微型控制器）。這種小型操縱桿使用了與上一節中介紹的簡易操縱桿相同的開關系統。
傳統的模擬系統總體上可以很好地工作，但確實存在一些限制。在下一節中，我們將探討模擬系統的主要弊端并了解一些新的解決方案。
圖1操縱桿操縱桿制造商采用了幾種不同的方法來解決這些問題。一種解決方案就是在專用的游戲適配卡或操縱桿自身中增加一個靈敏的數模轉換芯片。在這個系統中，轉換器直接向計算機傳送數字信息，從而提高了操縱桿的精確度并減輕了主機處理器的工作。這些新的操縱桿模型通常連接到USB端口，這也可以提高速度和可靠性。另一個解決方案就是放棄模擬分壓器技術。一些新的控制器采用光學傳感器以數字方式讀取操縱桿的運動位置。圖1顯示了一種常見的系統。
在這個系統中，兩個軸連接到兩個開槽輪盤。每個輪盤都位于兩個發光二極管(LED)和兩個光電池之間（為方便起見，圖1中僅顯示了一對光電池和發光二極管）。當每個LED發出的光透過一個槽孔時，輪盤另一側的光電池就會產生微弱的電流。當輪盤輕微轉動時將阻擋住光線，此時光電池不會產生電流（或者產生的電流很小）。
軸旋轉時將帶動輪盤轉動，移動的槽孔會反復阻擋射向光電池的光束。這使得光電池產生高速電流脈沖。根據光電池產生的脈沖數量，處理器就能知道操縱桿移動的距離。通過比較來自監測同一個輪盤的兩個光電池的脈沖圖，處理器可以計算出操縱桿移動的軌跡。許多計算機鼠標也采用了同樣的基本系統。
