圭表是研究太陽方位的裝置。另有一類儀器可用於研究恆星、行星包括太陽、月亮在內的幾乎所有天體的運動規律，這就是儀和象。「儀」是指測量天體位置的儀器，「象」是指演示天體視運動的儀器，合稱為儀象。渾天學說是中國古代占統治地位的宇宙觀，渾儀和渾象是解釋渾天學說的觀測儀器。
據推測，渾儀的起源早於西漢。不過，就我們現在所知，直到《隋書·天文志》才第一次記載了渾儀的詳細結構，原物早已不存，設計者為東晉時前趙人孔挺。孔挺渾儀由四環一管組成：赤道環平行於天赤道，地平環平行於地平面，子午環連接南北天極，這三個環都是固定的。四游環，相當於赤經環，是活動的，可繞貫通南北天極的極軸旋轉。與四游環共面的是一個供觀測用的方柱形管子，叫「衡」，又叫「窺管」，窺管也是活動的，可繞四游環圓心旋轉。結構原理十分清楚，窺管可以同時參與兩種互相垂直的運動，赤經方向和赤緯方向，說明窺管能夠對準天球上任何一個位置的天體。因此，天體的去極度能從四游環上直接讀出，天體的入宿度等於天體和它西邊第一顆距星的赤經差。除了赤道坐標，孔挺渾儀還備有地平坐標系統。需要說明的是，赤道環上的刻度不是現代的360等分，而是365.25，即365格再加上¼格。這種不整分的傳統，曾令很多人奇怪和不解，其實這是有來歷的。古代天文學家用圭表測量冬至時刻到下一個冬至時刻的間隔，連續記錄幾年，取其平均，就得到回歸年長度(古稱歲實)。春秋戰國時期確定的回歸年長度正是365.25日，如果按此數劃分圓周，太陽便一天移動一格，一年正好轉一整圈，可見其用意在此。秦以後，直到西方天文學傳入以前，赤道環一周等於365.25度就作為傳統保留了下來，儘管後來回歸年的長度不斷改進，不斷精確。本書為了區別於中國傳統的「度」，凡遇西制角度單位「°」時，一律不用「度」表示。
唐代天文學家李淳風於貞觀初年(公元630年)設計製作了一架更複雜的渾儀，名曰渾天黃道儀。渾天黃道儀的外層有地平環、子午環和赤道環，均固連在儀器的基座上，叫六合儀。內層是四游環和窺管，叫四游儀。中間一層還有三個環——黃道環、赤道環和白道環，是李淳風自己的創造。古代日、月、星統稱三辰，故名三辰儀。四游儀可在三辰儀內旋轉，三辰儀又可在六合儀內旋轉，整個儀器多達七個環，同時具備赤道、黃道、地平三套坐標系統。渾天黃道儀的主要優點在於：a.可直接讀出天體的入宿度，而不必再減去距星的赤道讀數；b.首次將月亮軌道(白道)和太陽軌道(黃道)區分開來，可直接測量月亮在白道上的位置。雖然渾天黃道儀一直閑置宮中未投入使用，卻以其功能齊備而成為後世的典範。
北宋時期的渾儀數量多，工藝精，並刻意提高觀測精度。比如改進窺管、校正極軸以及注意儀器的安裝等等，帶動宋代的天文研究達到一個空前的高水平。因為環與環重疊交錯，給窺管造成許多盲點，又因為月亮的位置可通過赤道坐標或黃道坐標讀出，故宋代渾儀大多取消了白道環，精簡了結構。宋室南遷後，北宋的精良儀器都被金朝人移往燕京(今北京)。明初時倖存的幾件連同其他元代天文儀器又移往應天府(今南京)。後來，明成祖遷都時，按1∶1比例複製了全套。現在，南京紫金山天文台上還完好地保存著一件於明正統四年(公元1439年)仿製的宋代渾儀(見圖8)，原宋代渾儀已毀。
若想增加渾儀的觀測功能，就需要適當地添環，然而環數太多，又給觀測帶來許多不便，顧此失彼，這是一對不好解決的矛盾。李淳風以後，歷代渾儀製造家做了很多嘗試，或減環，或移位，或替代，卻始終沒有得到最滿意的構思。
直到元代至元十三年(公元1276年)，郭守敬設計出了簡儀，才把渾儀從繁複的環套環結構中解放出來。簡儀，實際上是由兩套獨立儀器1.四游儀2.天軸3.北天極4.天元子午圈組成，即赤道經緯儀和地平經緯儀。赤道經緯儀不但放棄了白道環，也放棄了黃道環，只保留了原渾儀中的赤道環、地平環和四游環，並且赤道環和地平環不再充當支撐四游環的外層結構，而被移至四游環的南端，這樣在四游環的上方，除了北天極附近有個用於校正極軸的候極環外，沒有其他的遮蔽物。地平經緯儀，當時又叫立運儀，包括陰緯環和立運環。陰緯環相當於地平環，固定不動。立運環相當於四游環，可繞垂直於陰緯環並通過其中心的軸旋轉。立運儀是中國第一架能同時測量方位和地平高度的天文儀器。過去的渾儀，雖然附設地平環，但都缺少能以天頂為軸旋轉的環，而沒有這種環，就無法指示地平坐標。簡儀的另一個成就是提高了刻度劃分的精度。元以前，儀器的最小刻度為¼度，簡儀卻是1/10度，估讀可達1/20度。
原制簡儀被毀於清初，現存只有明正統四年(公元1439年)的仿製品，也在南京紫金山天文台。在簡儀的下方，本來應該安裝郭守敬設計的用於校正方向的正方案，仿製品把它改裝成了日晷。
郭守敬在儀器上的又一項創造是仰儀。仰儀專門用來測量太陽的赤經赤緯。渾儀不能直接測量太陽的位置，因為刺眼的陽光使窺管很難對準日面中心。仰儀的結構比較簡單，一個開口向上的銅製中空半球，內側刻有赤道坐標網，通過小孔使太陽成像於內側，太陽的赤經赤緯便一目了然。仰儀的外貌有別於中國傳統的天文儀器，顯得獨具一格。
總的來說，渾儀的設計水平在郭守敬時代已經到達巔峰，無論是布局的合理性還是細節的完善化均是如此，郭守敬之後，再無超越。
渾象的基本結構是一個球體，球面上標出全天可見的恆星、地平圈、黃道圈和赤道圈等。作為演示儀器，球體可繞連接南極北極的極軸旋轉，還有太陽、月亮和金、木、水、火、土五行星的活動標誌，可方便地移動位置以模擬實際天象。渾象相當於現在的天球儀。
對於天文學家來說，渾象主要還用於黃道度數與赤道度數的換算。在現代天文學中，球面三角學可輕易地解決不同坐標系的換算問題。但在數學並不發達的古代，只好採取比較笨拙的方式：用赤經圈把赤道圈和黃道圈劃分成若干個弧段，然後相同赤經的黃、赤弧段對照比量，兩兩相減，可列出一個差值表，再利用內插法求出連續差值表。也就是說，不管是黃道度數化成赤道度數，還是赤道度數化成黃道度數，查連續黃赤差值表，或加或減，即為所求。
東漢天文學家張衡，為了證明他的宇宙觀(即渾天說)的正確性，曾經設計製造了一架渾象，叫做漏水轉渾天儀。該儀器以漏壺流水為動力，通過齒輪系統，帶動渾象均勻地旋轉。經過調整校對，可使其正好一天轉一周，自動地吻合天象。
漏水轉渾天儀對後世的儀象設計影響很大，唐、宋時代很多的天文學家都為完善張衡的工作做出了貢獻。其中，最值得一提的是北宋蘇頌、韓公廉製造的元祐渾天儀象，又稱水運儀象台。儀象台包括渾儀、渾象和報時系統三部分，分別置於三層木結構建築的頂部、中部和底部，像一座小型天文台。三個部分共用一套傳動裝置和漏壺組，運轉時能夠保持與天體周日視運動同步。令人叫絕的報時系統，不但逢辰打鐘，遇刻擊鼓，還有一個木人在夜間按更擊鉦〔zheng征〕，毫無疑問，其結構十分複雜。研究發現，報時系統中有類似擒縱器的機構，擒縱器是近代機械鐘錶的重要部件。水運儀象台建成之後，蘇頌寫了一部儀器說明書《新儀象法要》，詳盡記述了各部件的形制、尺寸、材料及其整體構聯方式，特別是書中附有大量的機械圖，使後代讀者能夠窺探其中的細節奧秘。
蘇頌和韓公廉還製造過一架可在內部觀看的渾象。據宋代王應麟的《玉海》記載：渾象為中空球殼，直徑超出人的身長，球面上以洞穿的小孔代表恆星，觀看人就坐在其中的懸吊椅上。隨著球殼自左向右旋轉，透過小孔的點點亮光，宛若夜間真實的星空，景象尤為逼真，與現代天文館裡的天象儀有異曲同工之妙(見圖9)。
自張衡以後，需要轉動的儀器，大都靠漏壺帶動，這一點比較好理解，因為在當時的條件下不可能找到比漏壺流水更穩定的動力。只是很自然地產生了一個疑問：儀器的轉動是否僅僅依賴於漏壺。我們知道，漏壺的水量很小，所產生的壓力也是極有限的，很難想像它能帶動銅製的渾象，上述所介紹的蘇頌水運儀象台的儀器就更難帶動了。《隋書·耿詢傳》寫道：「詢創意造渾天，不假人力，以水轉之，施於闇〔an 暗〕室中。」表明耿詢的渾天儀不藉助人力而用水推動，這似乎意味著耿詢以前的水運渾象不只靠水力，尚需人力。然而既有人力，又何需水力，何曰「水運」。古人關於這方面的詳情鮮有記敘，我們無從知道真實情況。也許有興趣的讀者願意去尋找它的答案。