早期的土圭是块刻有尺寸的平板，后来，为了测影长的方便，人们把它和表做在一起。表竖在圭板的一端，板面上刻有尺寸，这样可以直接在平板上读出日中时表影的长度值。土圭和表合在一起，叫做圭表，有时人们也延续旧有的名称，仍称其为土圭或圭。圭表的材料，可以是石料、铜料，或者玉料。完整的圭表究竟起始于何时，现在尚难断定，但至迟不会晚于西汉。汉代的《三辅黄图》一书曾经记载说：“长安灵台有铜表，高八尺、长一丈三尺、广一尺二寸。题云：太初四年造。”灵台，是当时的天文台，专门用以观测天象。“八尺”是表的高度，这是中国古代圭表的标准高度。“一丈三尺”是该铜圭的长。“一尺二寸”；则是相应圭面的宽。太初是汉武帝的年号，太初四年相当于公元前101年。这是目前所能找到的关于整体圭表的最早记载。
利用圭表做每天中午表影长度测量，可以直接决定冬至的日期，因为一年之内中午影子最长的一天就是冬至所在日。利用这种方法进行观测，其误差虽然可以大到一二天左右，但是通过长期观测资料的积累和平均，则可使该误差的影响大大降低。实际上，中国在战国时期产生的四分历，已经采用了36514日这一比较精确的回归年长度值，该数据与当时的回归年长度相比，年误差不到1％日。这充分证明利用圭表测定冬至是可行的，可以达到一定的精度。
四分历的回归年长度是36514日，这意味着如果第一年的冬至发生在正午，第二年的冬至就要发生在正午过后的1／4日，第三年的冬至则要发生在正午过后的1／2日，即在夜半。第四年的冬至则发生在正午过后的3／4日，直到第五年，冬至发生时刻才又重新回到正午。用圭表来测定，则会发现第一年表影最长，第二年稍短，第三年最短，第四年表影与第二年相等，第五年才又重新与第一年表影相同。对此，《后汉书·律历志》说：“历数之生也，乃立仪表，以校日景，景长则日远，天度之端也。日发其端，周而为岁，然其景不复。四周，千四百六十一日而景复初，是则日行之终。以周除日，得三百六十五日四分度(日)之一，为岁之日数。”这段话，就讲述了36514日这个回归年长度的由来。它告诉我们，历法基本数据的产生，来自于立表测影。选择影子最长的时刻作为计算起点，太阳从这个时刻起，沿黄道运行1周叫做1岁。太阳虽然运行了1周，但相应正午的影子却没有回复到原来的长度，需要经过4周，也就是1461日，表影长度才能复原。用4去除1461，得出来的就是1岁的具体日数。
利用圭表，可以测出冬至，因为一年之中中午影子最长的一天就是冬至所在日。但实际操作起来，仍然存在一定困难。这一困难一方面在于受冬至日气候条件的影响，更重要的，还在于冬至点不一定正发生于中午时分。更确切地说，冬至点发生于正中午的情况，可谓是千载难逢。因此，上述四分历冬至时刻的测定，不一定真正测到了冬至发生的准确时刻，当时人们很可能是连续测几年冬至日正午的表影长度，取其中最长的一年，就定为这年的冬至时刻正在这天中午。以后每过一年，冬至时刻就相应增加1／4日。这就是说，用这种方法定出的冬至时刻，带有一定程度的人为因素，与冬至的实际发生时刻，不一定吻合。
那么，究竟应该如何做才能确切测定冬至的真实发生时刻呢？这一问题，南北朝时期的祖冲之找到了解决办法。
日晷计时的发展
时间概念的产生，源于人们对太阳视运动的感受。早期时间单位的划分，也以太阳在空间的方位为准，例如12时制和《淮南子》中记载的15时制，都是如此。这种情况启发人们想到，要计量时间，只需观察太阳在空中的方位即可。但太阳在空中，缺乏观测背景，无法标示其具体方位，而且阳光直射人目，也不便于观察。为此，人们又想到，只要在平地上立根杆子，观察其影子方位的变化，就可以逆推太阳的空间方位，从而得知相应的时刻。这种想法的实施，就导致了日晷计时的诞生。
早期的日晷计时，大概是选择一块比较平坦的地面，当中竖一根杆子，在杆子周围的地面上画上一些用来表示时刻的线条，根据杆影落在这些线条之间的位置，来读取时刻。这根立在地上的杆子，叫做表。我们现在把计时仪器叫做钟表，其来源即与此有关。这个表和周围刻划有用以表示时间的线条的地面，就构成了一种原始的日晷，刻划有时刻标志的地面就是日晷的晷面。晷字本身具有日影的含义。日晷记时就是根据阳光下表影位置的变化来确定当时的时刻。晷面水平放置的日晷叫做地平式日、晷，它是早期日晷计时的产物。
日晷计时在中国古代究竟何时产生，现在尚无可信的文字记述。最早的记录是在《史记》中。根据《史记·司马穰苴列传》记述，战国时齐国受到燕国进攻，连遭败绩，齐景公根据朝臣的举荐，任命司马穰苴率军抵抗，同时任命庄贾为监军。司马穰苴跟庄贾约定第二天中午到军营会齐。为了决定中午时刻，他先到军中，在用漏刻计时的同时，还立起一根表杆，通过观察杆影来决定时刻。这就构成了一架地平式日晷。这件事表明，在战国时，利用日晷计时已成为司空见惯。据此，日晷的产生应不晚于战国，这是不言而喻的。
秦汉时期日晷形制，我们今天还有幸窥见。1897年，在内蒙古呼和浩特以南的托克托城出土了一块方形石板，石板尺寸为27.5厘米×27.4厘米×3.5厘米。石板的板面上刻了一个大圆圈，圆心处为一圆孔。圆面上约2／3的部分均匀刻划有69根辐射状分划线，每根分划线与圆周的交界处各有一小圆窝，圆窝的外侧按顺时针方向依次标有1至69的数字，数字是用秦汉之际盛行的小篆书写的。根据出土情况和所刻文字，可以断定这块石板为秦汉之际的遗物。该石板现收藏于北京中国历史博物馆。从石板形制来看，它应该是测定时刻用的。因为69个圆孔将圆周分为68份，每份相当于圆周的1％，这相当于将整个圆周划分为100等份，与一天分为100刻是对应的。石板上分划线分布的范围与其出土地点太阳出没方位分布的最大范围基本相当，这说明它所测知的是白天的时刻。至于具体使用方法，应该是将石板水平安放，有辐射状标志线的部分放在北面，然后在石板中心圆孔处竖直插表，观测表影在辐射状标志线间的位置，就可以得知当时的时刻。据此，它应该是一个地平式日晷。
对于托克托城这块石板的使用方法，迄今学术界还有不同看法。但认为它是地平式日晷的观点应该说是合乎历史发展过程的。1932年，在洛阳金村也出土了一块石板，形状与托克托城日晷基本一致，这表明它们具有相同的用途。金村日晷现存于加拿大安大略皇家博物馆。这两块日晷同属秦汉之际，但其出土地点却相距甚远，这意味着它们当时已在相当大的区域内被使用了。但无论如何，此类日晷当时的文献没有记载，后世又销声匿迹，说明它们存在时间并不长，这又是为什么呢？
原因在于这类日晷存在着较大的计时误差。
我们知道，太阳在天上的周日视运动是同赤道面平行的，只有将日晷的表沿着与赤道面平行的平面进行投影，影子的移动才是均匀的。如果把日晷平放在地上，日出和日没时表影移动得快，中午则移动得慢，这就产生了误差。由此，地平式日晷晷面上如果是均匀刻度，就不能反映真正的时刻。而无论是托克托城日晷，还是金村日晷，其晷面辐射状划线的分布都是均匀的，用来计时，当然不理想，这也许就是它们未能流传下来的原因。
均匀刻度地平式日晷的计时缺陷，只要与其他计时仪器加以比对，即可发现。要想弥补这一缺陷，就得在其他计时仪器(如漏刻)的校验下，将其均匀的刻度改革成不均匀的。但太阳的地平经度变化，不但一天之内是不均匀的，而且还随着观察者所在地理纬度的变化而变化。这就是说，要想在地平式日晷上做出某种一成不变的刻度，使之反映时间的均匀流逝，是有相当难度的。所以这种改革的历史资料，迄今还未曾见到。
隋开皇十四年(594年)，天文学家袁充提出了一种方案。他以均匀刻度的地平式日晷为计时依据，把时刻制度改变为不均匀的。这一改革，虽然使时刻制度与日晷显示时间做到了一致，但不等间距的时刻制度与传统习惯不一致，也与其他计时仪器相矛盾，实质上是一种倒退；因此遭到了人们的抵制，这是理所当然的。
既然这样，地平式日晷在当时的出路就只剩下一条：被赤道式日晷所取代。
所谓赤道式日晷，是指日晷的表针指向天北极，晷面放置得与赤道面平行，晷面上的刻度是均匀的。现在故宫太和殿前丹陛左侧陈列的日晷，就是赤道式的。该晷上下两面都有刻度，作为表针的铁针贯穿晷面中心，上下都有。在从春分到秋分的半年里，太阳在赤道之北，照到上部的铁针，这时看上盘面的刻度；而在另外的半年里，太阳在赤道之南，照到下部的铁针，影子投射到下盘面上，这时就看下盘面的刻度。因为晷面与赤道面平行，所以铁针影子的旋转是均匀的，由盘面刻度所反映的时间也就是准确的。
赤道式日晷大概是从南宋时开始流行的。虽然清初的天文学家梅文鼎曾提到他的家乡有一具唐代的赤道式日晷，但在唐代文献中却未见反映。文献当中记载的赤道式日晷的独立发明人是南宋的曾南仲。该记载出现在南宋曾敏行所作的《独醒杂志》卷二里。那段记载把赤道式日晷的结构和按季节两面使用的原理，说得十分清楚，从而为赤道式日晷的流行奠定了基础。
赤道式日晷出现以后，受到人们欢迎，风行一时。根据赤道式日晷的计时原理，人们还对之做了种种改进。例如将其制成便携式的，晷面倾斜安装在底座上，其倾斜角可调，以便于在不同纬度处使用。底座上还可以配上指南针，这样可以方便地将底座安放在南北方向上。这种便携式日晷，不但可以随时随地计测时间，还能通过指南针辨认方向，使用起来非常方便。这种形式的日晷后来还流传到国外。英国着名学者李约瑟博士在其皇皇巨着《中国科学技术史》中曾经谈到，类似这种形式的赤道式便携日晷在17世纪的欧洲非常流行，他认为这是西方传教士将其带回欧洲的，或者是更早的时候通过阿拉伯人或犹太人传人欧洲的。
除了地平式和赤道式以外，用于计时的日晷还有另一种形式——球面日晷。球面日晷最着名的是元代天文学家郭守敬所发明的仰仪。仰仪的形式和结构，《元史·天文志》有具体描述。根据该段描述，仰仪的形状就像一口置于砖台上的铜锅，锅口刻画有12方位的标志，锅内画有用来表示天体位置的各种坐标线。锅面的半径达6元尺，相当于1.8米左右。锅口上边缘周围凿有水槽，槽中灌水后可以用来检验仰仪的安放是否水平。锅口上在12方位的巽(表示东南)、坤(表示西南)方位沿东西方向架一衡杆，衡杆上安一缩杆，缩杆沿正南北方向架设，缩杆的顶端安装一玑板，玑板的地平倾角可以调整，以便使其保持与太阳光相垂直的状态。玑板的中心开有一芥菜籽大小的小孔，小孔的位置与晷面球心相吻合。
郭守敬选择球面日晷，有他的考虑。据《元史·郭守敬传》的记述，郭守敬认为“以表之矩方，测天之正圆，莫若以圆求圆，作仰仪”。可见他从天是一个圆球的角度出发，认为要测量天体运动，应该“以圆求圆”，选择能切合天体运动实际情况的晷面形式进行测量。因为太阳的周日视运动是在天空中的一种圆周运动，将这种运动投影在凹球形晷面上更能反映其实际运动情况。所以，以球面日晷作为计时工具，是合乎科学道理的。
郭守敬的仰仪用起来非常方便。使用时，只要调整好玑板，使其与太阳光方向垂直，这时根据小孔成像原理，太阳光就会透过小孔，在仰仪的球形晷面上形成一个清晰的太阳像。因为晷面上的坐标网是按照把天球地平以上的半球通过小孔投影到仰仪内球面上的方法刻画的，因此通过观察晷面上太阳像的位置，就可以直接得知太阳在天空中的位置，也就可以直接读出时间来。
另一方面，太阳在空中的位置，与传统历法中的二十四节气有直接关系，所以仰仪不仅能用于计时，而且还可以测知相应节气的发生时刻。另外，仰仪观察的是太阳的像，一旦发生日食，太阳的像也要发生相应变化，这样，用仰仪还可以观察日食的全过程，测定各食相的时刻和方位以及食分的多少。过去观察日食，只能测定其食分多少，欲知相应时刻，还须有专门测时仪器的配合，而使用仰仪则可同时测定这诸多因素，这是其他仪器所不能相比的。另外，郭守敬仰仪的尺寸相当大，晷面上的坐标网格就可以刻画得相当精细，这就使得其计时精度也远高于其他日晷。由此，郭守敬仰仪的出现，使得中国古代日晷计时工作大大向前迈进了一步。
祖冲之巧测冬至
