早期的土圭是塊刻有尺寸的平板，後來，為了測影長的方便，人們把它和表做在一起。表豎在圭板的一端，板麵上刻有尺寸，這樣可以直接在平板上讀出日中時表影的長度值。土圭和表合在一起，叫做圭表，有時人們也延續舊有的名稱，仍稱其為土圭或圭。圭表的材料，可以是石料、銅料，或者玉料。完整的圭表究竟起始於何時，現在尚難斷定，但至遲不會晚於西漢。漢代的《三輔黃圖》一書曾經記載說：“長安靈台有銅表，高八尺、長一丈三尺、廣一尺二寸。題雲：太初四年造。”靈台，是當時的天文台，專門用以觀測天象。“八尺”是表的高度，這是中國古代圭表的標準高度。“一丈三尺”是該銅圭的長。“一尺二寸”；則是相應圭麵的寬。太初是漢武帝的年號，太初四年相當於公元前101年。這是目前所能找到的關於整體圭表的最早記載。
利用圭表做每天中午表影長度測量，可以直接決定冬至的日期，因為一年之內中午影子最長的一天就是冬至所在日。利用這種方法進行觀測，其誤差雖然可以大到一二天左右，但是通過長期觀測資料的積累和平均，則可使該誤差的影響大大降低。實際上，中國在戰國時期產生的四分曆，已經采用了36514日這一比較精確的回歸年長度值，該數據與當時的回歸年長度相比，年誤差不到1％日。這充分證明利用圭表測定冬至是可行的，可以達到一定的精度。
四分曆的回歸年長度是36514日，這意味著如果第一年的冬至發生在正午，第二年的冬至就要發生在正午過後的1／4日，第三年的冬至則要發生在正午過後的1／2日，即在夜半。第四年的冬至則發生在正午過後的3／4日，直到第五年，冬至發生時刻才又重新回到正午。用圭表來測定，則會發現第一年表影最長，第二年稍短，第三年最短，第四年表影與第二年相等，第五年才又重新與第一年表影相同。對此，《後漢書·律曆誌》說：“曆數之生也，乃立儀表，以校日景，景長則日遠，天度之端也。日發其端，周而為歲，然其景不複。四周，千四百六十一日而景複初，是則日行之終。以周除日，得三百六十五日四分度(日)之一，為歲之日數。”這段話，就講述了36514日這個回歸年長度的由來。它告訴我們，曆法基本數據的產生，來自於立表測影。選擇影子最長的時刻作為計算起點，太陽從這個時刻起，沿黃道運行1周叫做1歲。太陽雖然運行了1周，但相應正午的影子卻沒有回複到原來的長度，需要經過4周，也就是1461日，表影長度才能複原。用4去除1461，得出來的就是1歲的具體日數。
利用圭表，可以測出冬至，因為一年之中中午影子最長的一天就是冬至所在日。但實際操作起來，仍然存在一定困難。這一困難一方麵在於受冬至日氣候條件的影響，更重要的，還在於冬至點不一定正發生於中午時分。更確切地說，冬至點發生於正中午的情況，可謂是千載難逢。因此，上述四分曆冬至時刻的測定，不一定真正測到了冬至發生的準確時刻，當時人們很可能是連續測幾年冬至日正午的表影長度，取其中最長的一年，就定為這年的冬至時刻正在這天中午。以後每過一年，冬至時刻就相應增加1／4日。這就是說，用這種方法定出的冬至時刻，帶有一定程度的人為因素，與冬至的實際發生時刻，不一定吻合。
那麼，究竟應該如何做才能確切測定冬至的真實發生時刻呢？這一問題，南北朝時期的祖衝之找到了解決辦法。
日晷計時的發展
時間概念的產生，源於人們對太陽視運動的感受。早期時間單位的劃分，也以太陽在空間的方位為準，例如12時製和《淮南子》中記載的15時製，都是如此。這種情況啟發人們想到，要計量時間，隻需觀察太陽在空中的方位即可。但太陽在空中，缺乏觀測背景，無法標示其具體方位，而且陽光直射人目，也不便於觀察。為此，人們又想到，隻要在平地上立根杆子，觀察其影子方位的變化，就可以逆推太陽的空間方位，從而得知相應的時刻。這種想法的實施，就導致了日晷計時的誕生。
早期的日晷計時，大概是選擇一塊比較平坦的地麵，當中豎一根杆子，在杆子周圍的地麵上畫上一些用來表示時刻的線條，根據杆影落在這些線條之間的位置，來讀取時刻。這根立在地上的杆子，叫做表。我們現在把計時儀器叫做鍾表，其來源即與此有關。這個表和周圍刻劃有用以表示時間的線條的地麵，就構成了一種原始的日晷，刻劃有時刻標誌的地麵就是日晷的晷麵。晷字本身具有日影的含義。日晷記時就是根據陽光下表影位置的變化來確定當時的時刻。晷麵水平放置的日晷叫做地平式日、晷，它是早期日晷計時的產物。